JP2006344434A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell composed of an improved laminated structure of many fuel battery cells, capable of intensively realizing fluid sealing property between superposed separators with high reliability without accompanying assembly of specific components or complication of structure. <P>SOLUTION: Main face sealing rubber layers 38a, 38b are formed respectively on a first separator 20 and a second separator 22 superposed on a film-electrode assembly 18, and linear sealing protrusions 72, of which both faces in width direction is slanted and narrowed toward top end part of the protrusion, are formed on the main face sealing rubber layer 38a, on the other hand, sealing grooves 74 of which both faces in width direction is slanted and widened toward opening side are formed on the main face sealing rubber layer 38b. The sealing protrusions are fitted to the sealing grooves 74 and the faces in width direction of the protrusions and the grooves are pressed to each other, and by the above, the sealing structure is constituted. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に係り、特に重ね合わされたセパレータ間でのシール性を高度に且つ安定して得ることの出来る、新規なシール機構を備えた燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a fuel cell equipped with a novel sealing mechanism capable of obtaining a high and stable sealing property between stacked separators.

一般に、固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜/電極接合体(MEA)に対して、その両面に導電性材料からなる一対のセパレータを重ね合わせた構造の燃料電池セルによって構成されている。この燃料電池セルには、MEAと各セパレータとの重ね合わせ面間にガス流路が形成されている。そして、かかるガス流路を通じて、MEAの一方の面には、酸化剤としての酸素(空気)が供給される一方、MEAの他方の面には、燃料としての水素が供給されるようになっている。これら酸素と水素が固体高分子電界質膜の両面に作用することで、電気化学的反応による起電力が生ぜしめられて、一対のセパレータを通じて電力が取り出されるようになっているのである。   In general, in a polymer electrolyte fuel cell, a membrane / electrode assembly (MEA) in which electrodes are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is overlapped with a pair of separators made of a conductive material on both sides. It is comprised by the fuel cell of a structure. In this fuel cell, a gas flow path is formed between the overlapping surfaces of the MEA and each separator. Through this gas flow path, oxygen (air) as an oxidant is supplied to one surface of the MEA, while hydrogen as a fuel is supplied to the other surface of the MEA. Yes. These oxygen and hydrogen act on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, so that an electromotive force is generated by an electrochemical reaction, and power is taken out through a pair of separators.

また、かかる燃料電池セル単体では、得られる起電力が非常に小さい。そこで、多くの場合、燃料電池セルの数十〜数百個を直列的に重ね合わせた積層構造をもって、目的とする電圧を発生する燃料電池とされている。   Moreover, with such a fuel cell unit, the electromotive force obtained is very small. Therefore, in many cases, a fuel cell that generates a target voltage has a laminated structure in which several tens to several hundreds of fuel cells are stacked in series.

ところで、このような構造とされた燃料電池では、目的とする性能を安定して得るために、互いに重ね合わされたセパレータ間において、流体に対する高度なシール性能が要求される。即ち、各燃料電池セル単体において、MEAを挟んで重ね合わされた一対のセパレータ間では、MEAに供給される酸素や水素のガス流路において、高度なシール性能が要求される。また、積層される燃料電池セル間でも、互いに重ね合わされるセパレータ間に冷却水路が形成されることから、かかる冷却水路において、高度がシール性能が要求されるのである。   By the way, in the fuel cell having such a structure, in order to stably obtain a target performance, a high degree of sealing performance with respect to fluid is required between the stacked separators. That is, in each fuel cell unit, a high degree of sealing performance is required in the gas flow path of oxygen or hydrogen supplied to the MEA between the pair of separators stacked with the MEA interposed therebetween. Further, even between the stacked fuel cells, a cooling water channel is formed between the separators stacked on each other. Therefore, a high sealing performance is required in the cooling water channel.

そこで、例えば、互いに重ね合わされるセパレータ間にガスケットを挟み込んで流体密に封止したシール構造などが提案されている。また、特許文献1(特開2003−157867号公報)には、互いに重ね合わされる両セパレータにそれぞれ固着された一組のガスケットで、固体高分子電解質膜を挟圧保持することにより、MEAの両面に形成されるガス流路をそれぞれ流体密にシールせしめたシール構造も提案されている。   Thus, for example, a seal structure in which a gasket is sandwiched between separators that are overlapped with each other and sealed in a fluid-tight manner has been proposed. Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-157867) discloses that both sides of the MEA are held by holding a solid polymer electrolyte membrane with a pair of gaskets fixed to both separators that are overlapped with each other. There has also been proposed a sealing structure in which the gas flow paths formed in the above are each fluid-tightly sealed.

しかしながら、本発明者の更なる研究と実験等により、このような従来構造のシール機構では、未だ十分な流体密性を得ることが難しいことが明らかとなった。   However, further research and experiments by the present inventors have revealed that it is still difficult to obtain sufficient fluid tightness with such a conventional sealing mechanism.

すなわち、前述の如く、燃料電池は、多数の燃料電池セルを直列的に重ね合わせた積層構造をもって形成されるが、重ね合わせ方向の締付力は、殆どの場合、全体として重ね合わせ方向両端部間に作用せしめられるに過ぎない。これにより、各燃料電池セルや隣接する燃料電池セル間で重ね合わされたセパレータ間には、理論上同一の締付力が作用せしめられるが、締付部材との摩擦等の影響によって締付力がばらつくこともある。   That is, as described above, the fuel cell is formed with a stacked structure in which a large number of fuel cells are stacked in series. However, in most cases, the tightening force in the stacking direction is generally the both ends in the stacking direction. It can only act in between. As a result, theoretically the same clamping force is applied between the separators stacked between each fuel cell and adjacent fuel cells, but the clamping force is affected by the friction with the clamping member. May vary.

また、たとえ同じ締付力が及ぼされたとしても、各燃料電池セルを構成する各部品や部材,部位における製造時や組付時の寸法誤差や歪の発生などは避けられない。   Further, even if the same tightening force is exerted, dimensional errors and distortions are unavoidable at the time of manufacturing and assembling at each part, member, and part constituting each fuel cell.

そして、このような製造上や組付上の理由によって、燃料電池においては、互いに重ね合わされたセパレータ間の隙間にばらつきが発生し易いことが明らかとなった。而して、セパレータ間の隙間がばらつくと、セパレータ間でのガスケットに対する挟圧力がばらついてしまう。それ故、全てのセパレータ間におけるシール性能を高い信頼性をもって安定して確保することが難しいことがわかったのである。   And it became clear that in the fuel cell, the gap between the stacked separators is likely to vary in the fuel cell due to such manufacturing and assembly reasons. Thus, when the gaps between the separators vary, the clamping pressure on the gasket between the separators varies. Therefore, it has been found that it is difficult to stably secure the sealing performance between all the separators with high reliability.

なお、高度なシール性能を安定して得るために、燃料電池セルの積層方向における締付力を大きくすることも考えられるが、燃料電池セルを構成するMEAやセパレータ等の各部材は非常に薄肉で強度が小さいことから、締付力を大きくすると損傷等のおそれがあり、現実的でない。また、シールリングのゴム材料には、酸素や水素,水等に対する耐久性やシール性が要求されることから、特別に弾性の大きなゴム材料等を採用することによる対策等も考え難いのである。   In order to stably obtain a high level of sealing performance, it is conceivable to increase the tightening force in the stacking direction of the fuel cells, but each member such as the MEA and the separator constituting the fuel cells is very thin. Since the strength is small, there is a risk of damage or the like when the tightening force is increased, which is not realistic. In addition, since the rubber material of the seal ring is required to have durability and sealability against oxygen, hydrogen, water, etc., it is difficult to consider measures by adopting a rubber material having a particularly large elasticity.

特開2003−157867号公報JP 2003-157867 A

ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、多数の燃料電池セルの積層構造体からなる燃料電池であって、互いに重ね合わされたセパレータ間での流体密性を、特別な部品の組付けや構造の複雑化などを伴うことなく、高い信頼性をもって高度に実現することの出来る、改良された構造の燃料電池を提供することにある。   Here, the present invention has been made in the background as described above, and the problem to be solved is a fuel cell composed of a stacked structure of a large number of fuel cells, which are superposed on each other. To provide a fuel cell having an improved structure capable of realizing highly reliable fluid tightness between separators without requiring special parts or complicated structures. is there.

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意な組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。   Hereinafter, the aspect of this invention made | formed in order to solve such a subject is described. In addition, the component employ | adopted in each aspect as described below is employable by arbitrary combinations as much as possible. Further, aspects or technical features of the present invention are not limited to those described below, but are described in the entire specification and drawings, or an invention that can be understood by those skilled in the art from those descriptions. It should be understood that it is recognized based on thought.

先ず、本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜/電極接合体にセパレータが両面から重ね合わされて燃料電池セルが構成され、更に該燃料電池セルの複数が重ね合わされて積層構造とされた燃料電池において、互いに重ね合わされる前記セパレータの重ね合わせ面においてそれぞれシールゴム層が形成されており、一方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には開口側に向かって拡幅する断面形状のシール溝が形成されていると共に、他方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には先端側に向かって狭幅する断面形状のシール突条が形成されており、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられて、該シール突条の幅方向両側の傾斜面が該シール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられて弾性変形せしめられることによりシール機構が構成されていることを、特徴とする。   First, according to a first aspect of the present invention, a fuel cell is formed by stacking a separator on both sides of a membrane / electrode assembly in which electrodes are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. In the fuel cell having a laminated structure, the sealing rubber layers are respectively formed on the overlapping surfaces of the separators that are overlapped with each other, and the sealing rubber layer on one of the overlapping surfaces of the separators is on the opening side. A seal groove having a cross-sectional shape that widens toward the top is formed, and a seal protrusion having a cross-sectional shape that narrows toward the front end side is formed on the seal rubber layer on the overlapping surface of the other separator. The seal protrusion is fitted in the seal groove, and the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion are in relation to the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove. That sealing mechanism is configured attached to by induced to elastic deformation, characterized.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、一対のセパレータの対向面間距離が各燃料電池セルで異なる場合であっても、安定したシール効果を発揮せしめることが出来ることから、燃料ガスや酸化ガス、冷却水などの漏れ出しを防いで、発電作用の効率向上を実現することが出来る。   In the fuel cell having such a structure according to this aspect, even if the distance between the opposed surfaces of the pair of separators is different for each fuel cell, the fuel cell can exhibit a stable sealing effect. It is possible to prevent the leakage of gas, oxidant gas, cooling water, etc., and to improve the efficiency of power generation.

蓋し、複数のセパレータが積層状態で重ね合わせられる燃料電池では、シールゴムの寸法誤差や弾性力の差などによって隣り合うセパレータの対向面間距離が異なる場合があるが、本態様に従う構造とされた燃料電池では、当接によりシール効果を発揮するシール面であるシール突条の幅方向両側面とシール溝の幅方向両側面をそれぞれ傾斜面とすることによって、セパレータの重ね合わせ方向で隣り合うセパレータ間の対向面間距離が変化する場合であっても、シール突条やシール溝の弾性変形量の違いが小さく抑えられるようになっている。それ故、多数のセパレータが積層せしめられる燃料電池において、各セパレータ間で安定して所期のシール性能を発揮せしめることが出来るのである。   In a fuel cell in which a plurality of separators are stacked and stacked in a stacked state, the distance between the opposing surfaces of adjacent separators may differ depending on the dimensional error of the seal rubber or the difference in elastic force. In a fuel cell, separators that are adjacent in the stacking direction of the separators are formed by forming both side surfaces in the width direction of the seal protrusion and both side surfaces in the width direction of the seal grooves, which are seal surfaces that exhibit a sealing effect by abutment, respectively. Even when the distance between the opposing surfaces changes, the difference in the amount of elastic deformation of the seal protrusion and the seal groove can be kept small. Therefore, in a fuel cell in which a large number of separators are stacked, the desired sealing performance can be stably exhibited between the separators.

また、本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る燃料電池において、前記膜/電極接合体を挟んで重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面において、該膜/電極接合体の周りを取り囲むように前記シール溝と前記シール突条からなる前記シール機構が設けられていることを、特徴とする。   Further, according to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, in the overlapping surface of the separator overlapped with the membrane / electrode assembly interposed therebetween, the periphery of the membrane / electrode assembly The seal mechanism including the seal groove and the seal protrusion is provided so as to surround the seal.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、燃料ガス及び酸化ガスの漏れ出しを有効に防ぐことが出来て、効率的な発電作用を安定して発揮せしめることが可能となる。   In the fuel cell having the structure according to this aspect, it is possible to effectively prevent the leakage of the fuel gas and the oxidizing gas, and to stably exhibit the efficient power generation operation.

また、本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に係る燃料電池において、互いに重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シールゴム層の対向面間に隙間が存在せしめられていると共に、前記シール溝の底面と前記シール突条の先端面との間にも隙間が存在せしめられていることを、特徴とする。   Further, according to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, a gap exists between the opposing surfaces of the seal rubber layer between the overlapping surfaces of the separators overlapped with each other. And a gap is also present between the bottom surface of the seal groove and the tip surface of the seal protrusion.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対してより有利に押し付けられることとなって、シール機構におけるシール性能を有効に発揮せしめることが出来る。   In the fuel cell having the structure according to this embodiment, the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion are more advantageously pressed against the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove. The sealing performance can be effectively demonstrated.

また、シール突条のシール溝への嵌め入れによって膨出変形せしめられたシール突条やシール溝が、重ね合わせられるシールゴム層の対向面間の隙間やシール突条の突出先端側に形成されているシール溝の底面とシール突条の先端面との間の隙間に対して、入り込むように変形可能とされている。それ故、シール突条の幅方向両側面とシール溝の幅方向両側面が均一なシール面とされて、より効果的にシール効果を発揮せしめることが出来る。   Further, the seal ridge and the seal groove bulged and deformed by fitting the seal ridge into the seal groove are formed on the gap between the opposed surfaces of the seal rubber layer to be overlapped or on the protruding tip side of the seal ridge. It is possible to deform so as to enter the gap between the bottom surface of the seal groove and the tip surface of the seal protrusion. Therefore, the both side surfaces in the width direction of the seal protrusion and the both side surfaces in the width direction of the seal groove are made uniform, and the sealing effect can be exhibited more effectively.

また、本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝と前記シール突条が、何れも、左右対称の断面形状とされていることを、特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the seal groove and the seal protrusion are both symmetrical cross-sectional shapes. It is characterized by being.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面とシール溝の幅方向両側の傾斜面に作用する圧力が略同一となることから、各シール面において略等しいシール効果を得ることが出来て、より安定したシールを実現することが可能となる。また、シール突条やシール溝の歪な変形等を回避することも出来て、かかる歪な変形によるシール突条やシール溝の局部的な応力集中やシール性能のばらつきなどを効果的に防ぐことが可能となる。   In the fuel cell having the structure according to this embodiment, the pressure acting on the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion and the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove is substantially the same. Thus, a substantially equal sealing effect can be obtained and a more stable seal can be realized. In addition, distortion deformation of the seal ridge and seal groove can be avoided, and local stress concentration and variation in seal performance of the seal ridge and seal groove due to such distortion deformation can be effectively prevented. Is possible.

また、本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度と、前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度との差が、±10度以下とされていることを、特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, an inclination angle of inclined surfaces on both sides in the width direction in a cross section of the seal groove, and the seal protrusion The difference between the inclination angles of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section is ± 10 degrees or less.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、傾斜角度の差を十分に小さくすることにより、シール突条とシール溝の圧接状態を面で確保することが出来て、安定したシール性能の発揮を実現できる。   In the fuel cell having the structure according to this aspect, by sufficiently reducing the difference in the inclination angle, the pressure contact state between the seal protrusion and the seal groove can be secured on the surface, and the stable sealing performance. Can be achieved.

また、本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度と、前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度が、何れも、少なくとも互いに押し付けられる領域において、前記セパレータの表面に対して20度以上且つ70度以下とされていることを、特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, the inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal groove, and the seal protrusion The inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section is 20 degrees or more and 70 degrees or less with respect to the surface of the separator at least in a region where they are pressed against each other.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられることから、優れたシール効果と、隣り合うセパレータの対向面間距離のばらつき等によるシール性能のばらつきの回避とを、併せて実現することが出来る。   In the fuel cell having the structure according to this aspect, since the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion are pressed against the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove, the excellent sealing effect and the adjacent It is possible to achieve avoidance of variation in sealing performance due to variation in the distance between opposing surfaces of matching separators.

また、本発明の第七の態様は、前記第一乃至第六の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面が、外方に凸となる湾曲傾斜面とされていることを、特徴とする。   Further, according to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to sixth aspects, inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal protrusion are convex outward. It is characterized by being a curved inclined surface.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においても、セパレータ間の対向面間距離のばらつきによるシール効果の差を小さく抑えることが出来て、安定したシール効果を得ることが可能である。   Also in the fuel cell having the structure according to this embodiment, the difference in the sealing effect due to the variation in the distance between the opposing surfaces between the separators can be suppressed, and a stable sealing effect can be obtained.

また、本発明の第八の態様は、前記第一乃至第七の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝における開口部の幅寸法が、前記シール突条における先端部の幅寸法よりも大きくされていると共に、該シール溝における底部の幅寸法が、該シール突条における先端部の幅寸法よりも小さくされていることを、特徴とする。   In addition, according to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to seventh aspects, the width dimension of the opening in the seal groove is the width dimension of the tip in the seal protrusion. And the width of the bottom of the seal groove is smaller than the width of the tip of the seal protrusion.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条のと突出先端部をシール溝の開口部に対して容易に位置合せして挿入することが出来ると共に、更に押し込むことにより、シール突条をシール溝に圧入して、安定してシール効果を得ることが出来る。   In the fuel cell having the structure according to this embodiment, the seal protrusion and the projecting tip can be easily aligned and inserted with respect to the opening of the seal groove, and further pushed, A sealing effect can be stably obtained by press-fitting the seal protrusion into the seal groove.

また、本発明の第九の態様は、前記第一乃至第八の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シール突条の圧縮代が断面積において5〜20%とされていることを、特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to eighth aspects, a compression allowance of the seal protrusion is 5 in cross-sectional area between the overlapping surfaces of the separator. It is characterized by being -20%.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の圧縮代を所定の割合とすることにより、所期のシール性能を得ることが出来る適当な大きさの押付力の実現と、セパレータの対向面間距離の違い等に起因するシール性能のばらつきの回避とを両立することが出来る。また、シール時の応力によってセパレータが変形する等の不具合を回避しつつ、確実に所期のシール性能を発揮せしめることも可能となる。   In the fuel cell having the structure according to this embodiment, by setting the compression allowance of the seal protrusion to a predetermined ratio, it is possible to realize a pressing force having an appropriate size capable of obtaining the desired seal performance. In addition, it is possible to achieve both avoidance of variations in sealing performance due to a difference in the distance between the opposing surfaces of the separator. In addition, it is possible to reliably exhibit the desired sealing performance while avoiding problems such as deformation of the separator due to stress at the time of sealing.

また、本発明の第十の態様は、前記第一乃至第九の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記セパレータの表面には、前記シール溝の幅方向両側および前記シール突条の幅方向両側に広がって前記シールゴム層が形成されていると共に、該シール溝の底部も該セパレータの表面が該シールゴム層で被覆されていることを、特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to ninth aspects, the separator has a surface on both sides in the width direction of the seal groove and a width of the seal protrusion. The seal rubber layer is formed so as to spread on both sides in the direction, and the surface of the separator is also covered with the seal rubber layer at the bottom of the seal groove.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の先端面がシール溝の底面に押し付けられるような場合であっても、押付けによる圧力でセパレータが破損する等の不具合を有効に回避することが出来て、より信頼性の高いシール機構を実現することが出来る。また、シール突条の先端面とシール溝の底面との対向面間において腐食環境が形成される場合であっても、シール溝の底面がシールゴム層で被覆されていることにより、セパレータの腐食を有効に回避することが出来る。また、シール溝の成形時におけるバリの発生などを防止することも出来る。   In the fuel cell having the structure according to this aspect, even when the tip end surface of the seal protrusion is pressed against the bottom surface of the seal groove, it is effective for the problem that the separator is damaged by the pressure by the pressing. Therefore, a more reliable sealing mechanism can be realized. Even when a corrosive environment is formed between the opposing surfaces of the tip surface of the seal protrusion and the bottom surface of the seal groove, the bottom surface of the seal groove is covered with the seal rubber layer, so that the separator is corroded. It can be effectively avoided. Moreover, generation | occurrence | production of the burr | flash etc. at the time of shaping | molding of a seal groove | channel can also be prevented.

また、本発明の第十一の態様は、前記第一乃至第十の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール突条の突出高さ寸法が、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の75〜125%とされていることを、特徴とする。   An eleventh aspect of the present invention is the fuel cell according to any one of the first to tenth aspects, wherein the protruding height of the seal protrusion is the seal rubber in which the seal groove is formed. It is characterized by being 75 to 125% of the thickness dimension of the layer.

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対して十分に押し付けられることとなって、シール性能を十分に発揮せしめることが出来る。   In the fuel cell having the structure according to this aspect, the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion are sufficiently pressed against the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove, thereby improving the sealing performance. It can be fully demonstrated.

また、本発明の第十二の態様は、前記第一乃至第十一の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の50〜125%の厚さ寸法をもって、前記シール突条の基端部分に前記シールゴム層が形成されていることを、特徴とする。   A twelfth aspect of the present invention is the fuel cell according to any one of the first to eleventh aspects, wherein 50 to 125% of a thickness dimension of the seal rubber layer in which the seal groove is formed. The seal rubber layer is formed on the base end portion of the seal protrusion with a thickness dimension of.

上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた燃料電池にあっては、多数の燃料電池セルの積層構造体からなる燃料電池において、互いに重ね合わせられた全てのセパレータ間での流体密性を、少ない部品点数と簡易な構造で、高い信頼性をもって高度に実現することが出来る。   As is clear from the above description, in the fuel cell having the structure according to the present invention, the fluid between all the separators stacked on each other in the fuel cell having a stacked structure of a large number of fuel cells. High density can be achieved with high reliability with a small number of parts and a simple structure.

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。   Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

先ず、図1には、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池(PEFC)10の概略斜視図が示されている。かかる固体高分子型燃料電池10は、本発明に従う構造とされた燃料電池セルとしての単セル12を積層状態で多数組み付けることによって構成されている。なお、図1に示された固体高分子型燃料電池10は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下,左右方向および鉛直,水平方向は、原則として、この図1に示された設置状態下でのことを言うこととする。   First, FIG. 1 shows a schematic perspective view of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 10 having a structure according to the present invention. Such a polymer electrolyte fuel cell 10 is constituted by assembling a large number of single cells 12 as fuel cells having a structure according to the present invention in a stacked state. The polymer electrolyte fuel cell 10 shown in FIG. 1 is installed so that the vertical direction and the horizontal direction in the illustrated state are the vertical direction and the horizontal direction. In the following description, the vertical and horizontal directions, and the vertical and horizontal directions refer to the installation conditions shown in FIG.

より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池10を構成する単セル12は、図2に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜14を電解質として、その両面に一対の触媒電極としての燃料電極16aおよび酸化電極16bを重ね合わせて接合一体化した構造の膜/電極接合体(MEA)18を備えている。なお、本実施形態において、固体高分子膜14と燃料電極16a及び酸化電極16bは、何れも矩形平板形状であって、固体高分子膜14が燃料電極16a及び酸化電極16bに比して、正面視での面積が大きくされており、それらが重ね合わせられた膜/電極接合体18において、固体高分子膜14が全周に亘って燃料電極16a及び酸化電極16bよりも外方に延び出している。具体的には、例えば、固体高分子膜14が正面視で82mm×82mmの正方形とされていると共に、燃料電極16a及び酸化電極16bが78mm×78mmの正方形とされており、全周にわたって固体高分子膜14が電極16a,16bの外方に2mm延び出すように重ね合わせられて固着される。   More specifically, as shown in FIG. 2, the unit cell 12 constituting the polymer electrolyte fuel cell 10 includes a solid polymer membrane 14 as a solid polymer electrolyte membrane such as a solid ion exchange membrane. And a membrane / electrode assembly (MEA) 18 having a structure in which a fuel electrode 16a and an oxidation electrode 16b as a pair of catalyst electrodes are overlapped and integrated on both surfaces. In this embodiment, the solid polymer film 14, the fuel electrode 16a, and the oxidation electrode 16b are all rectangular flat plate shapes, and the solid polymer film 14 is in front of the fuel electrode 16a and the oxidation electrode 16b. In the membrane / electrode assembly 18 in which the areas are viewed, the solid polymer membrane 14 extends outward from the fuel electrode 16a and the oxidation electrode 16b over the entire circumference. Yes. Specifically, for example, the solid polymer film 14 is a square of 82 mm × 82 mm in a front view, and the fuel electrode 16 a and the oxidation electrode 16 b are a square of 78 mm × 78 mm. The molecular film 14 is superposed and fixed so as to extend 2 mm outward from the electrodes 16a and 16b.

なお、燃料電極16aおよび酸化電極16bは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜14の材質等を含めて、燃料電極16aと酸化電極16bを含んで構成される膜/電極接合体(MEA)18の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。   In addition, the fuel electrode 16a and the oxidation electrode 16b have platinum as a catalyst as is well known, and are formed with a porous structure that allows gas to pass through, for example, a conductive material such as carbon. However, the material of the membrane / electrode assembly (MEA) 18 including the fuel electrode 16a and the oxidation electrode 16b, including the material of the solid polymer membrane 14, the structure in the micro region, etc. Since any known technique can be applied instead of the characteristic part, detailed description is omitted here.

また、膜/電極接合体18には、挟み込むように一組のセパレータ20,22が重ね合わせられている。なお、本実施形態では、燃料電極16a側に重ね合わせられるセパレータを第一セパレータ20とすると共に、酸化電極側に重ね合わせられるセパレータを第二セパレータ22とする。また、本実施形態では、第一セパレータ20および第二セパレータ22として、図3〜図5に示されている如き、同一の金属製セパレータ24が採用されている。   A pair of separators 20 and 22 are superimposed on the membrane / electrode assembly 18 so as to be sandwiched. In the present embodiment, the separator that is superimposed on the fuel electrode 16a side is referred to as the first separator 20, and the separator that is superimposed on the oxidation electrode side is referred to as the second separator 22. In the present embodiment, the same metal separator 24 as shown in FIGS. 3 to 5 is employed as the first separator 20 and the second separator 22.

この金属製セパレータ24は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ24は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法(例えば、0.1mm〜0.5mm程度の厚さ寸法)を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。特に本実施形態では、金属製セパレータ24が、厚さ寸法:0.3mmとされた金属プレートを用いて成形されている。   The metal separator 24 is formed of a metal material having effective rigidity and corrosion resistance under an oxidizing atmosphere in addition to good conductivity. For example, stainless steel is used as a basic material, and if necessary. A material that can achieve the required characteristics to a high degree by subjecting it to a surface treatment or a composite material with carbon or the like is preferably employed. The metal separator 24 is a flat metal plate having a substantially constant thickness dimension (for example, a thickness dimension of about 0.1 mm to 0.5 mm) so that the required rigidity and processing accuracy can be satisfied. Is formed by press working. In particular, in this embodiment, the metal separator 24 is formed using a metal plate having a thickness dimension of 0.3 mm.

具体的には、金属製セパレータ24には、単セル12を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部26と第二辺縁部28に位置して、各同一数(本実施形態では、各3個)の貫通孔30a,30b,30c,30d,30e,30fが打抜形成されている。これら第一辺縁部30における3個の貫通孔30a,30e,30dと、第二辺縁部28における3個の貫通孔30c,30f,30bは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ24の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ24を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計6個の貫通孔30a〜fが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部26には、上から順に貫通孔30a,30e,30dが形成されている一方、第二辺縁部28には、上から順に貫通孔30c,30f,30bが形成されている。   Specifically, the metal separator 24 has the same number (this embodiment) located on the first edge portion 26 and the second edge portion 28 that are positioned on the same side when the single cell 12 is configured. In the embodiment, three through holes 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, and 30f are formed by punching. The three through holes 30a, 30e, and 30d in the first edge portion 30 and the three through holes 30c, 30f, and 30b in the second edge portion 28 are formed with symmetrical shapes and positions. Yes. That is, even when the metal separator 24 is turned upside down around any center axis of the horizontal center axis extending horizontally in the height direction center of the metal separator 24 and the vertical center axis extending vertically in the width direction center, A total of six through-holes 30a to 30f are positioned at the same position on the left and right side edge portions. The first edge portion 26 is formed with through holes 30a, 30e, and 30d in order from the top, while the second edge portion 28 is formed with through holes 30c, 30f, and 30b in order from the top. ing.

これにより、2枚の金属製セパレータ24,24を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各3個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向で相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、第一セパレータ20において、図3,図4における各貫通孔30a,30b,30c,30d,30e,30fがそれぞれ燃料ガス供給孔30a,燃料ガス排出孔30b,酸化ガス供給孔30c,酸化ガス排出孔30d,冷却水供給孔30e,冷却水排出孔30fとされている。   As a result, when the two metal separators 24 and 24 are turned upside down and overlapped, each of the three through holes formed in the left and right edge portions communicates with each other in the overlapping direction. It is supposed to be squeezed. In the present embodiment, in the first separator 20, the through holes 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, and 30f in FIGS. 3 and 4 are respectively the fuel gas supply hole 30a, the fuel gas discharge hole 30b, and the oxidizing gas supply. A hole 30c, an oxidizing gas discharge hole 30d, a cooling water supply hole 30e, and a cooling water discharge hole 30f are provided.

さらに、金属製セパレータ24において、燃料電極16aに重ね合わせられる主面34には、図3及び図4に示されているように、第一辺縁部26の左上部に形成された燃料ガス供給孔30aの近くから第二辺縁部28に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部28の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にUターンして第一辺縁部26に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部26の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びUターンして第二辺縁部28に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部28の右下部に形成された燃料ガス排出孔30bに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝32が、形成されている。この凹溝32は、一つの貫通孔30を、略対角方向で対向位置する別の貫通孔30に接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本(本実施形態では5本)形成されている。特に、かかる凹溝32は、水平方向に延びる各直線部分が、主面34の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。   Further, in the metal separator 24, the main surface 34 superimposed on the fuel electrode 16a has a fuel gas supply formed at the upper left portion of the first edge portion 26 as shown in FIGS. It extends in the horizontal direction from the vicinity of the hole 30a toward the second edge portion 28, bends vertically downward and extends slightly downward near the second edge portion 28, and further makes a U-turn to make the first edge. It extends in the horizontal direction toward the portion 26, bends vertically downward and extends slightly downward near the first edge portion 26, and again makes a U-turn and extends in the horizontal direction toward the second edge portion 28. A bent groove 32 for gas circulation that is bent and reaches the fuel gas discharge hole 30b formed in the lower right portion of the second edge portion 28 is formed. The concave groove 32 connects one through-hole 30 to another through-hole 30 opposed in a substantially diagonal direction. In particular, in the present embodiment, a plurality of ( In the present embodiment, five are formed. In particular, it is desirable that the concave groove 32 be formed so that each straight line portion extending in the horizontal direction is positioned at a substantially constant interval in the vertical direction of the main surface 34.

特に本実施形態において、凹溝32は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有しており、全長に亘って略一定の断面形状とされている。なお、凹溝32は、好適には、溝幅が開口部で1.0mmから3.0mm、底部で0.5mmから1.5mmとされると共に、溝深さが0.5mmから1.5mmとされ、より望ましくは、開口部の溝幅が2.0mm、底部の溝幅が1.0mmとされると共に、溝深さが1.0mmとされる。また、複数条形成される凹溝32において、隣り合う凹溝32の間隔は、好適には、開口部において0.5mmから1.5mmとされ、より好適には、1.0mmとされるのが望ましい。   In particular, in this embodiment, the groove 32 has a substantially isosceles trapezoidal cross-sectional shape in which the groove width gradually decreases toward the bottom surface, and has a substantially constant cross-sectional shape over the entire length. The groove 32 preferably has a groove width of 1.0 mm to 3.0 mm at the opening, 0.5 mm to 1.5 mm at the bottom, and a groove depth of 0.5 mm to 1.5 mm. More preferably, the groove width of the opening is 2.0 mm, the groove width of the bottom is 1.0 mm, and the groove depth is 1.0 mm. Further, in the groove 32 formed in a plurality of strips, the interval between the adjacent grooves 32 is preferably 0.5 mm to 1.5 mm at the opening, and more preferably 1.0 mm. Is desirable.

また、金属製セパレータ24の主面34において、凹溝32の各貫通孔30a〜dとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜/電極接合体18と重ね合わせられる、ガス拡散領域36とされている。かかるガス拡散領域36の周囲には、図4に示されているように、ガス拡散領域36を囲むようにして主面シールゴム層38が加硫成形されて被着されており、組付け状態下においてガス拡散領域36のシールが実現されている。   In addition, a gas diffusion region in which a region formed on the main surface 34 of the metal separator 24 excluding a connection portion with the through holes 30 a to 30 d of the concave groove 32 is overlapped with the membrane / electrode assembly 18. 36. As shown in FIG. 4, a main surface sealing rubber layer 38 is vulcanized and deposited around the gas diffusion region 36 so as to surround the gas diffusion region 36. Sealing of the diffusion region 36 is realized.

更に、金属製セパレータ24の主面34において、凹溝32の一部でガス拡散領域36の外部に形成された部分、即ち、凹溝32の各貫通孔30a,30b,30c,30dへの接続部分である接続部には、その開口部を覆蓋するように、金属製の板材によって形成された蓋板金具42が橋渡し状に組み付けられている。換言すれば、凹溝32の貫通孔30a〜dへの接続部分である接続部は、蓋板金具42によって凹溝32の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。なお、蓋板金具42に対しても主面シールゴム層38が被着形成されている。   Further, on the main surface 34 of the metallic separator 24, a part of the concave groove 32 formed outside the gas diffusion region 36, that is, connection to the through holes 30a, 30b, 30c, 30d of the concave groove 32 is provided. A cover plate fitting 42 formed of a metal plate material is assembled in a bridging manner so as to cover the opening of the connection portion which is a part. In other words, the connection portion, which is a connection portion of the concave groove 32 to the through holes 30a to 30d, has a substantially tunnel-like structure by covering the opening of the concave groove 32 with the cover plate fitting 42. A main surface seal rubber layer 38 is also formed on the lid plate fitting 42.

一方、金属製セパレータ24において、凹溝32が開口する主面34と反対側の副面46には、図5に示すように、凹状通路48が形成されている。凹状通路48は、主面34に形成された複数条の凹溝32の間で、副面46において形成されて、燃料ガス供給孔30aの近くから燃料ガス排出孔30bの近くまで延びている。即ち、第一セパレータ20において、主面34における凹溝32間の凸部を、その反対側の副面46において凹状通路48として利用しており、酸化ガス供給孔30c及び酸化ガス排出孔30dの手前まで凹溝32に沿って延びている。なお、本実施形態における凹状通路48は、燃料ガス供給孔30a及び燃料ガス排出孔30b付近において、その両端部分がシールゴムで充填されており、凹状通路48が燃料ガス供給孔30aと燃料ガス排出孔30bに接続されないようになっている。   On the other hand, in the metallic separator 24, a concave passage 48 is formed on the sub-surface 46 opposite to the main surface 34 where the concave groove 32 opens, as shown in FIG. The concave passage 48 is formed in the sub-surface 46 between the plurality of concave grooves 32 formed in the main surface 34, and extends from the vicinity of the fuel gas supply hole 30a to the vicinity of the fuel gas discharge hole 30b. That is, in the first separator 20, the convex portion between the concave grooves 32 in the main surface 34 is used as the concave passage 48 in the opposite sub surface 46, and the oxidizing gas supply hole 30 c and the oxidizing gas discharge hole 30 d are formed. It extends along the concave groove 32 to the near side. In this embodiment, the concave passage 48 is filled with seal rubber at both ends in the vicinity of the fuel gas supply hole 30a and the fuel gas discharge hole 30b, and the concave passage 48 has the fuel gas supply hole 30a and the fuel gas discharge hole. It is not connected to 30b.

また、冷却水供給孔30e及び冷却水排出孔30fの近くには、接続凹所50が形成されている。接続凹所50は、一方の端部が冷却水供給孔30e又は冷却水排出孔30fに接続されている一方、他方の端部が燃料ガス供給孔30a又は燃料ガス排出孔30bの近くまで延びている。   Further, a connection recess 50 is formed near the cooling water supply hole 30e and the cooling water discharge hole 30f. The connection recess 50 has one end connected to the cooling water supply hole 30e or the cooling water discharge hole 30f, and the other end extending to the vicinity of the fuel gas supply hole 30a or the fuel gas discharge hole 30b. Yes.

そして、図5に示されているように、副面46において、金属製セパレータ24の外周部付近および組付け状態において凹溝32の底部同士が直接当接せしめられる部分を除く略全面には、副面シールゴム層52が形成されている。また、副面シールゴム層52は、好適には、凹状通路48の内面にも被着形成されており、凹状通路48内が略全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。   As shown in FIG. 5, on the substantially entire surface of the sub-surface 46 except for the portion near the outer periphery of the metallic separator 24 and the portion where the bottoms of the grooves 32 are brought into direct contact with each other in the assembled state, A sub surface sealing rubber layer 52 is formed. The sub-surface seal rubber layer 52 is preferably also formed on the inner surface of the concave passage 48, and the concave passage 48 is electrically insulated from the outside over substantially the entire length.

更に、図6に示すように、主面シールゴム層38の外側、即ち金属製セパレータ24の外周縁部には、位置決め部58が略全周に亘って形成されている。位置決め部58は、樹脂によって形成されており、隣り合う金属製セパレータ24にそれぞれ形成された位置決め部58同士が、互いに係合する凹凸形状を有するように形成されており、多数の金属製セパレータ24を積層状態とすることによって形成される固体高分子型燃料電池10において、各金属製セパレータ24を容易に位置合わせすることが可能とされている。   Further, as shown in FIG. 6, a positioning portion 58 is formed on the outer surface of the main surface sealing rubber layer 38, that is, on the outer peripheral edge portion of the metallic separator 24 over substantially the entire circumference. The positioning portions 58 are formed of resin, and the positioning portions 58 formed on the adjacent metal separators 24 are formed so as to have concavo-convex shapes that engage with each other. In the polymer electrolyte fuel cell 10 formed by stacking the layers, the metal separators 24 can be easily aligned.

また、図6に示されているように、位置決め部58が被着形成されている金属製セパレータ24の外周縁部は、実質的に全周に亘って、凹溝32が開口形成された主面34側に開口する凹溝形状とされている。これにより、金属製セパレータ24の強度を増すと共に、位置決め部58を一層強固に固定することが可能となっている。   In addition, as shown in FIG. 6, the outer peripheral edge of the metallic separator 24 on which the positioning portion 58 is deposited is formed on the main periphery in which the concave groove 32 is formed substantially over the entire circumference. The groove 34 is open to the surface 34 side. Thereby, the strength of the metal separator 24 can be increased and the positioning portion 58 can be more firmly fixed.

そして、かかる金属製セパレータを用いた第一セパレータ20と第二セパレータ22によって膜/電極接合体18が挟み込まれて、膜/電極接合体18に対して第一セパレータ20及び第二セパレータ22の各主面34,34が重ね合わせられることにより、単セル12が形成される。また、第一セパレータ20に形成されたガス流通用の凹溝32の開口が燃料電極16aによって覆蓋されることにより、トンネル状とされて、燃料(水素)を供給する燃料ガス流路60が形成されている。更に、第二セパレータ22に形成されたガス流通用の凹溝32の開口が酸化電極16bによって覆蓋されることにより、トンネル状とされて、酸素(空気)を供給する酸化ガス流路62が形成されている。更にまた、重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル12,12の間には、一方の単セル12の第一セパレータ20と他方の単セル12の第二セパレータ22の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路64が形成されている。なお、第一セパレータ20と第二セパレータ22が、互いに表裏反対となるように重ね合わせられた同一の金属製セパレータ24で構成されていることにより、第一セパレータ20においては、凹溝32によって燃料ガス供給孔30aと燃料ガス排出孔30bが接続されるようになっている一方、第二セパレータ22においては、凹溝32によって酸化ガス供給孔30cと酸化ガス排出孔30dが接続されるようになっている。   Then, the membrane / electrode assembly 18 is sandwiched between the first separator 20 and the second separator 22 using such a metal separator, and each of the first separator 20 and the second separator 22 with respect to the membrane / electrode assembly 18. The single cell 12 is formed by the main surfaces 34 and 34 being overlapped. Further, the opening of the groove 32 for gas circulation formed in the first separator 20 is covered with the fuel electrode 16a, so that a fuel gas channel 60 for supplying fuel (hydrogen) is formed in a tunnel shape. Has been. Furthermore, the opening of the groove 32 for gas flow formed in the second separator 22 is covered with the oxidation electrode 16b, so that an oxidation gas flow path 62 for supplying oxygen (air) is formed in a tunnel shape. Has been. Furthermore, between the two adjacent single cells 12 and 12 that constitute a cell stack by being overlapped, the first separator 20 of one single cell 12 and the second separator 22 of the other single cell 12 are arranged. A cooling water flow path 64 through which cooling water flows is formed between the overlapping surfaces. The first separator 20 and the second separator 22 are configured by the same metal separator 24 that is overlapped so as to be opposite to each other. While the gas supply hole 30a and the fuel gas discharge hole 30b are connected, in the second separator 22, the oxidation gas supply hole 30c and the oxidation gas discharge hole 30d are connected by the concave groove 32. ing.

また、各単セル12には、固体高分子型燃料電池10の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部26と第二辺縁部28の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔30a,燃料ガス排出孔30b,酸化ガス供給孔30c,酸化ガス排出孔30dが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔30aと燃料ガス排出孔30bが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔30cと酸化ガス排出孔30dが形成されている。   Further, each single cell 12 is located at each of the upper and lower portions of the first edge portion 26 and the second edge portion 28 that are opposed to each other in the horizontal direction under the installed state of the polymer electrolyte fuel cell 10. A fuel gas supply hole 30a, a fuel gas discharge hole 30b, an oxidant gas supply hole 30c, and an oxidant gas discharge hole 30d are each formed penetrating in the stacking direction. In particular, the oxidizing gas supply hole 30c is formed so that the fuel gas supply hole 30a and the fuel gas discharge hole 30b are formed so as to be substantially opposed to each other in one diagonal direction and to be substantially opposed to each other in the diagonal direction. And an oxidizing gas discharge hole 30d.

また、各単セル12における第一辺縁部26と第二辺縁部28の各中央部分には、冷却水供給孔30eと冷却水排出孔30fが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。   Moreover, in each center part of the 1st edge part 26 and the 2nd edge part 28 in each single cell 12, the cooling water supply hole 30e and the cooling water discharge hole 30f are opposing positions in a horizontal direction, respectively, It is formed to penetrate in the stacking direction.

なお、上述の如き供給孔30a,30c,30eや排出孔30b,30d,30fは、例えば、第一辺縁部26又は第二辺縁部28から18mm以内の範囲に形成されており、特に本実施形態では、14mm以内の部分に形成されている。   The supply holes 30a, 30c, 30e and the discharge holes 30b, 30d, 30f as described above are formed, for example, within a range of 18 mm from the first edge portion 26 or the second edge portion 28. In the embodiment, it is formed in a portion within 14 mm.

さらに、各単セル12では、膜/電極接合体18が、第一及び第二セパレータ20,22よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。具体的には、例えば、第一セパレータ20と第二セパレータ22が正面視で118mm×114mmの略長方形とされていると共に、固体高分子膜14が正面視で82mm×82mmの正方形とされている。   Further, in each single cell 12, the membrane / electrode assembly 18 has a rectangular plate shape that is slightly smaller than the first and second separators 20 and 22. Specifically, for example, the first separator 20 and the second separator 22 have a substantially rectangular shape of 118 mm × 114 mm when viewed from the front, and the solid polymer film 14 has a square of 82 mm × 82 mm when viewed from the front. .

これにより、燃料ガス,酸化ガス,冷却水の各給排孔30a〜fは、膜/電極接合体18を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ20,22の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池10において、積層された複数枚の単セル12間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池10の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス,酸化ガス,冷却水の各給排孔30a〜fが形成されている。   Thereby, each supply-and-discharge hole 30a-f of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water is each corresponding part of the 1st and 2nd separators 20 and 22 in the position which removed the membrane / electrode assembly 18 to the outer peripheral side. Each is formed as a through hole. In the polymer electrolyte fuel cell 10, the plurality of stacked single cells 12 are also communicated with each other, and as a whole, the cell stack that forms the main body of the polymer electrolyte fuel cell 10 is arranged in the stacking direction. The fuel gas, oxidant gas, and cooling water supply / discharge holes 30a to 30f are formed in a penetrating form.

なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献1(特開2002−83610号公報)等に記載されているように、固体高分子型燃料電池10において、積層された複数の単セル12のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル12の第一セパレータ20と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル12の第二セパレータ22には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル12の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ(図示せず)を介して、陽極側押え板66と陰極側押え板68が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル12と両極の集電板や押え板66,68を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池10とされている。   Although not explicitly shown in the drawings, a plurality of unit cells stacked in the polymer electrolyte fuel cell 10 are described as described in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-83610). 12, the first separator 20 of the single cell 12 positioned at one end in the stacking direction and the second separator 22 of the single cell 12 positioned at the other end in the stacking direction The side current collecting plate and the cathode side current collecting plate are overlapped, and the total power of the plurality of single cells 12 connected in series is taken out from both the current collecting plates. Furthermore, the anode side pressing plate 66 and the cathode side pressing plate 68 are overlapped on the outer surfaces of the anode side current collecting plate and the cathode side current collecting plate via appropriate insulating spacers (not shown). Although not clearly shown in the drawing, the whole including the plurality of single cells 12 and the current collector plates and the holding plates 66 and 68 of both poles is tightened in the stacking direction by tightening bolts inserted at four corners. Are integrally fixed to form a polymer electrolyte fuel cell 10.

また、かかる固体高分子型燃料電池10において、陽極側押え板66と陰極側押え板68には、燃料ガス供給用ポート70a,燃料ガス排出用ポート70b,酸化ガス供給用ポート70c,酸化ガス排出用ポート70d,冷却水供給用ポート70e,冷却水排出用ポート70fの合計6個のポート70a〜fが形成されている。更に、これらそれぞれのポート70a〜fが、積層された複数の単セル12において相互に連通形成された上述の燃料ガス,酸化ガス,冷却水の各給排孔30a〜fの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート70a〜fに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス,酸化ガス,冷却水の各給排孔30a〜fに対して、燃料ガス,酸化ガス,冷却水の給排が行われるようになっている。   In the polymer electrolyte fuel cell 10, the anode side retainer plate 66 and the cathode side retainer plate 68 are provided with a fuel gas supply port 70 a, a fuel gas discharge port 70 b, an oxidant gas supply port 70 c, and an oxidant gas discharge. A total of six ports 70a to 70f are formed including a port 70d for cooling, a port 70e for supplying cooling water, and a port 70f for discharging cooling water. Further, these respective ports 70a to 70f are respectively connected to the corresponding holes of the fuel gas, oxidizing gas and cooling water supply / discharge holes 30a to 30f formed in communication with each other in the plurality of stacked single cells 12. Are connected to each other. Further, by connecting external pipes (not shown) to the ports 70a to 70f, the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water are supplied to the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water supply / discharge holes 30a to 30f. It is designed to supply and discharge.

そして、これら各供給用ポート70a,70c,70eを通じて各供給孔30a,30c,30eに供給された燃料ガス,酸化ガス,冷却水が、上述の単セル12内に形成された燃料ガス流路60および酸化ガス流路62と、単セル12,12間に形成された冷却水流路64を流通せしめられた後、各排出孔30b,30d,30fを経て、各排出用ポート70b,70d,70fを通じて排出されるようになっているのである。   The fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water supplied to the supply holes 30a, 30c, and 30e through the supply ports 70a, 70c, and 70e are the fuel gas flow paths 60 formed in the unit cell 12 described above. And the oxidant gas flow path 62 and the cooling water flow path 64 formed between the single cells 12 and 12, and then passed through the discharge holes 30b, 30d, and 30f and through the discharge ports 70b, 70d, and 70f. It is supposed to be discharged.

これにより、公知の如く、固体高分子膜14の第一セパレータ20側に配設された燃料電極16aにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜14の第二セパレータ22側に配設された酸化電極16bにおいて、固体高分子膜14を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス(空気)および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。   Thus, as is well known, in the fuel electrode 16a disposed on the first separator 20 side of the solid polymer film 14, the supplied fuel gas is ionized by the catalytic action to supply electrons, while the solid polymer film 14 in the oxidation electrode 16b disposed on the second separator 22 side, the hydrogen ions sent through the solid polymer film 14 are supplied from the outside with the oxidizing gas (air) and the electrons returned through the external electric circuit, It reacts to produce water vapor and functions as a battery that exhibits power generation as a whole.

ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に発揮させるには、各単セル12に対して連続的に供給される燃料ガス及び酸化ガスをガス拡散領域36から外部に漏らすことなく反応せしめて発電作用を得ると共に、各単セル12に対して連続的に供給される冷却水を漏出せしめることなく循環させて、単セル12の温度管理を安定して実現する必要がある。   Here, in order to efficiently achieve the target power generation action, the fuel gas and the oxidant gas continuously supplied to each single cell 12 are reacted without leaking from the gas diffusion region 36 to the outside. In addition to obtaining the action, it is necessary to circulate the cooling water continuously supplied to each single cell 12 without leaking, and to stably realize the temperature management of the single cell 12.

そこで、本実施形態においては、上述の如く、金属製セパレータ24の主面34側に対して、ガス拡散領域36及び貫通孔30を取り囲むように形成された主面シールゴム層38が被着形成されていると共に、金属製セパレータ24の副面46側に対して、冷却水流路64を取り囲むように副面シールゴム層52が被着形成されている。   Therefore, in the present embodiment, as described above, the main surface sealing rubber layer 38 formed so as to surround the gas diffusion region 36 and the through hole 30 is attached to the main surface 34 side of the metallic separator 24. At the same time, a sub surface seal rubber layer 52 is formed on the sub surface 46 side of the metallic separator 24 so as to surround the cooling water flow path 64.

主面シールゴム層38は、ガス拡散領域36及び貫通孔30をそれぞれ全周に亘って取り囲むように形成された略シート状のゴム層であって、第一セパレータ20被着形成された主面シールゴム層38aに対して、ガス拡散領域36(膜/電極接合体18)と貫通孔30をそれぞれ全周に亘って取り囲むようにシール凸条72が形成されている一方、第二セパレータ22に被着された主面シールゴム層38bに対して、第一セパレータ20との重ね合わせ状態下でシール凸条72に対応する位置にシール凹溝74が形成されている。なお、主面シールゴム層38aの厚さ寸法は、主面シールゴム層38bの厚さ寸法の50%以上且つ125%以下とされていることが望ましく、特に本実施形態では、主面シールゴム層38aと主面シールゴム層38bが略等しい厚さ寸法で形成されている。   The main surface sealing rubber layer 38 is a substantially sheet-like rubber layer formed so as to surround the gas diffusion region 36 and the through-hole 30 over the entire circumference, and the main surface sealing rubber formed on the first separator 20. Seal ridges 72 are formed on the layer 38 a so as to surround the gas diffusion region 36 (membrane / electrode assembly 18) and the through-hole 30 over the entire circumference, while being attached to the second separator 22. A seal groove 74 is formed at a position corresponding to the seal protrusion 72 in a state of being overlapped with the first separator 20 with respect to the main surface seal rubber layer 38b. The thickness dimension of the main surface sealing rubber layer 38a is desirably 50% or more and 125% or less of the thickness dimension of the main surface sealing rubber layer 38b. In particular, in this embodiment, the main surface sealing rubber layer 38a The main surface sealing rubber layer 38b is formed with substantially the same thickness.

シール凸条72は、図7,8に示されているように、略一定の台形断面形状とされている。特に本実施形態では、シール凸条72は、その断面形状が、突出先端側に向かって次第に狭幅せしめられた略等脚台形状となっており、左右対称な形状を有している。また、シール凸条72の幅方向両側の傾斜面の傾斜角度は20度以上且つ70度以下であることが望ましい。なお、シール凸条72において角が形成される部位に対しては、破損などを回避するために、適宜に面取り加工を施されることが望ましい。   As shown in FIGS. 7 and 8, the seal protrusion 72 has a substantially constant trapezoidal cross-sectional shape. In particular, in this embodiment, the seal projection 72 has a substantially isosceles trapezoidal shape in which the cross-sectional shape is gradually narrowed toward the protruding tip side, and has a symmetrical shape. Moreover, it is desirable that the inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion 72 is 20 degrees or more and 70 degrees or less. It should be noted that it is desirable to appropriately chamfer the portion where the corner is formed in the seal ridge 72 in order to avoid breakage and the like.

一方、シール凹溝74は、図7,8に示されているように、略一定の台形断面形状とされている。特に本実施形態では、シール凹溝74は、開口部側に向かって次第に拡幅せしめられており、シール凹溝74の両側壁面が傾斜面で構成されている。また、図8にも示されているように、シール凹溝74の断面形状が左右対称な形状を有している。なお、シール凸条72と同様に、シール凹溝74において角が形成される部位に対しても、破損などを回避するために、適宜に面取り加工を施されることが望ましい。また、シール凹溝74の底面が主面シールゴム層38bと一体的に形成されたゴム弾性体で構成されて、第二セパレータ22がシール凹溝74の底面においてもゴム弾性体で覆われていることが望ましい。これにより、シール凸条72の第二セパレータ22への接触による破損等の不具合を有効に回避することが出来る。   On the other hand, the seal groove 74 has a substantially constant trapezoidal cross section as shown in FIGS. In particular, in this embodiment, the seal groove 74 is gradually widened toward the opening side, and both side wall surfaces of the seal groove 74 are formed of inclined surfaces. Further, as shown in FIG. 8, the cross-sectional shape of the seal concave groove 74 has a symmetrical shape. In addition, similarly to the seal protrusion 72, it is desirable to appropriately chamfer the portion where the corner is formed in the seal groove 74 in order to avoid breakage and the like. Further, the bottom surface of the seal groove 74 is formed of a rubber elastic body formed integrally with the main surface seal rubber layer 38b, and the second separator 22 is also covered with the rubber elastic body on the bottom surface of the seal groove 74. It is desirable. Thereby, malfunctions, such as a failure | damage by the contact to the 2nd separator 22 of the seal protrusion 72, can be avoided effectively.

また、シール凸条72とシール凹溝74の幅方向両側面の傾斜角度の差は、±10度以下であることが望ましく、本実施形態では、シール凸条72の側壁面と凹溝32の側壁面の傾斜角度が略等しくされている。また、シール凸条72の突出先端部の幅寸法:B1 が凹溝32の底部の幅寸法:W1 よりも大きくされていると共に、シール凸条72の基端部の幅寸法:B2 が凹溝32の開口部の幅寸法:W2 よりも大きくされている一方、シール凸条72の突出先端部の幅寸法:B1 が凹溝32の開口部の幅寸法:W2 よりも小さくされている。 In addition, the difference in inclination angle between both sides in the width direction of the seal ridge 72 and the seal groove 74 is desirably ± 10 degrees or less. In this embodiment, the side wall surface of the seal ridge 72 and the groove 32 The inclination angles of the side wall surfaces are substantially equal. The width dimension of the projecting distal end portion of the seal ridge 72: width of the bottom of the B 1 is the groove 32: with is larger than W1, the width dimension of the base end portion of the seal ridge 72: B 2 is width dimension of the opening of the groove 32: while being larger than W2, the width of the projecting distal end portion of the seal ridge 72: width of the opening of B 1 is the groove 32: the smaller than W 2 ing.

なお、シール凸条72は、その突出先端部の幅寸法:B1 が、0.1mm≦B1 ≦0.4mmとされていることが望ましく、より好適には、0.2mm≦B1 ≦0.3mmとされている。また、シール凸条72の基端部の幅寸法:B2 は、0.2mm≦B2 ≦0.6mmとされていることが望ましく、より好適には、0.3mm≦B2 ≦0.5mmとされている。更に、シール凸条72の突出高さ寸法:Hは、第二セパレータ22に被着された主面シールゴム層38bの厚さ寸法に対して50%以上125%以下とされていることが望ましい。また、より好適には、シール凸条72の突出高さ寸法:Hは、第二セパレータ22に被着された主面シールゴム層38bの厚さ寸法に対して75%以上125%以下とされており、更に好適には、シール凸条72の突出高さ寸法:Hが主面シールゴム層38bの厚さ寸法と略等しくされている。特に本実施形態におけるシール凸条72は、突出先端部の幅寸法:B1 =0.25mm、基端部の幅寸法:B2 =0.4mm、突出高さ寸法:H=0.25mmとされている。 In addition, it is desirable for the seal protrusion 72 to have a width dimension B 1 of the protruding tip portion of 0.1 mm ≦ B 1 ≦ 0.4 mm, and more preferably 0.2 mm ≦ B 1 ≦. 0.3 mm. The width dimension of the base end portion of the seal ridge 72: B 2 is desirably being a 0.2mm ≦ B 2 ≦ 0.6mm, more preferably, 0.3mm ≦ B 2 ≦ 0. It is 5 mm. Furthermore, it is desirable that the projecting height dimension H of the seal protrusion 72 is 50% or more and 125% or less with respect to the thickness dimension of the main seal rubber layer 38b attached to the second separator 22. More preferably, the protruding height dimension H of the seal protrusion 72 is 75% or more and 125% or less with respect to the thickness dimension of the main surface seal rubber layer 38b attached to the second separator 22. More preferably, the protruding height dimension H of the seal protrusion 72 is substantially equal to the thickness dimension of the main seal rubber layer 38b. In particular, the seal protrusion 72 in this embodiment has a width at the protruding tip: B 1 = 0.25 mm, a width at the base end: B 2 = 0.4 mm, and a protruding height: H = 0.25 mm. Has been.

一方、シール凹溝74は、その底部の幅寸法:W1 が0.05mm≦W1 ≦0.3mmとされていることが望ましく、より好適には、0.1mm≦W1 ≦0.2mmとされている。また、シール凹溝74の開口部の幅寸法:W2 は、0.1mm≦W2 ≦0.5mmとされていることが望ましく、より好適には、0.2mm≦W2 ≦0.4mmとされている。更に、シール凹溝74の深さ寸法:Dは、第二セパレータに被着形成された主面シールゴム層38bの厚さ寸法の80%以上とされていることが望ましい。特に本実施形態におけるシール凹溝74は、底部の幅寸法:W1 =0.162mm、開口部の幅寸法:W2 =0.3mm、深さ寸法:D=0.2mmとされている。 On the other hand, the width of the bottom of the seal groove 74: W 1 is preferably 0.05 mm ≦ W 1 ≦ 0.3 mm, and more preferably 0.1 mm ≦ W 1 ≦ 0.2 mm. It is said that. The width dimension of the opening of the seal groove 74: W 2 is desirably being a 0.1mm ≦ W 2 ≦ 0.5mm, more preferably, 0.2mm ≦ W 2 ≦ 0.4mm It is said that. Further, it is desirable that the depth dimension D of the seal concave groove 74 is 80% or more of the thickness dimension of the main seal rubber layer 38b formed on the second separator. In particular, the seal concave groove 74 in this embodiment has a bottom width dimension: W 1 = 0.162 mm, an opening width dimension: W 2 = 0.3 mm, and a depth dimension: D = 0.2 mm.

そして、これらシール凸条72とシール凹溝74は、単セル12において、第一セパレータ20と第二セパレータ22の重ね合わせ面間でシール凸条72がシール凹溝74に嵌め入れられてシール効果が発揮されるようになっている。即ち、シール凸条72の側壁面とシール凹溝74の側壁面の傾斜角度が略同一とされていると共に、シール凸条72の突出先端部の幅寸法:B1 がシール凹溝74の底部の幅寸法:W1 よりも小さくされていることにより、シール凸条72の両側傾斜面がシール凹溝74の両側傾斜面に対して圧接せしめられることとなって、シール凸条72とシール凹溝74の係合によるシール効果が有効に発揮されるシール機構が構成されているのである。なお、本実施形態では、固体高分子膜14の外周部分が主面シールゴム層38a,38b間に挟み込まれており、固体高分子膜14が主面シールゴム層38a,38bの間に挟圧保持されることによっても有効にシール効果を得ることができるようになっている。 The seal ridges 72 and the seal grooves 74 are sealed in the single cell 12 by inserting the seal ridges 72 into the seal grooves 74 between the overlapping surfaces of the first separator 20 and the second separator 22. Has come to be demonstrated. That is, the inclination angle of the side wall surface of the seal protrusion 72 and the side wall surface of the seal groove 74 is substantially the same, and the width dimension B 1 of the protruding tip of the seal protrusion 72 is the bottom of the seal groove 74. The width dimension of the seal ridge 72 is smaller than W 1 , so that the inclined surfaces on both sides of the seal protrusion 72 are brought into pressure contact with the inclined surfaces on both sides of the seal groove 74. A seal mechanism that effectively exhibits a sealing effect by the engagement of the groove 74 is configured. In this embodiment, the outer peripheral portion of the solid polymer film 14 is sandwiched between the main surface sealing rubber layers 38a and 38b, and the solid polymer film 14 is held under pressure between the main surface sealing rubber layers 38a and 38b. Thus, a sealing effect can be effectively obtained.

このようなシール機構によれば、第一セパレータ20と第二セパレータ22との重ね合わせ方向で作用せしめられる組付力の分力がシール凸条72とシール凹溝74の幅方向両側面である傾斜面がシール力として作用する。かかる分力は組付力に比して小さく、それに伴ってシール力のばらつきを小さくすることが出来る。また、シール凸条72とシール凹溝74の幅方向両側面である傾斜面においてシール凸条72がシール凹溝74に押圧されていることから、シール凸条72及びシール凹溝74が圧縮変形とともに、せん断変形を生じる。それ故、第一セパレータ20と第二セパレータの対向面間距離が異なる場合であっても、シール凸条72とシール凹溝74の幅方向両側面間に生じるシール力が安定して発揮される。   According to such a sealing mechanism, the component force of the assembly force that acts in the overlapping direction of the first separator 20 and the second separator 22 is on both side surfaces in the width direction of the seal protrusion 72 and the seal groove 74. The inclined surface acts as a sealing force. Such component force is smaller than the assembling force, and accordingly, variation in sealing force can be reduced. Further, since the seal protrusion 72 is pressed against the seal groove 74 on the inclined surfaces which are both side surfaces in the width direction of the seal protrusion 72 and the seal groove 74, the seal protrusion 72 and the seal groove 74 are compressed and deformed. At the same time, shear deformation occurs. Therefore, even when the distance between the opposing surfaces of the first separator 20 and the second separator is different, the sealing force generated between both side surfaces in the width direction of the seal protrusion 72 and the seal groove 74 is stably exhibited. .

なお、シール効果を十分に得るためには、縦断面における圧縮代の面積:S1 +S2 は、縦断面における台形ADHEの面積:S3 に対して10%以上且つ40%以下とされていることが望ましい。特に、シール性能を有利に発揮せしめるためには、略25%とされていることが望ましい。蓋し、通常のゴムシールで一方をシールゴム、他方が剛体とされている場合の圧縮代は、ゴムシールの厚さ方向で25%が望ましいが、本実施形態では、発生するシール応力(押付力)によって金属製セパレータ24が変形する等の影響を受けることを回避するために、圧縮代を半分の12.5%に設定した。但し、本実施形態では、シール凸条72とシール凹溝74が何れもゴム弾性体で形成されていることから、図8に示された縦断面において、設計時の寸法でシール凸条72とシール凹溝74の重なり合う部分の面積(S1 +S2 )を略25%とすることにより、シール凸条72とシール凹溝74がそれぞれ略12.5%ずつ圧縮されるようになっている。 In order to obtain a sufficient sealing effect, the compression margin area in the longitudinal section: S 1 + S 2 is 10% or more and 40% or less with respect to the area of the trapezoid ADHE in the longitudinal section: S 3 . It is desirable. In particular, in order to exert the sealing performance advantageously, it is desirable that the ratio is approximately 25%. The compression allowance is preferably 25% in the thickness direction of the rubber seal when the lid is covered and one side is a seal rubber with a normal rubber seal and the other is a rigid body. In this embodiment, however, the compression allowance depends on the generated seal stress (pressing force). In order to avoid the influence of the metal separator 24 being deformed or the like, the compression allowance was set to 12.5%, which is half. However, in this embodiment, since both the seal ridge 72 and the seal groove 74 are formed of a rubber elastic body, the seal ridge 72 and the dimension at the time of design are shown in the longitudinal section shown in FIG. By setting the area (S 1 + S 2 ) of the overlapping portion of the seal groove 74 to approximately 25%, the seal protrusion 72 and the seal groove 74 are compressed by approximately 12.5%, respectively.

また、図8に示された本実施形態にかかるシール機構の断面図において、圧縮代である台形ABFEの面積:S1 と台形CDHGの面積:S2 の和は、台形ADHEの面積:S3 と台形BCGFの面積:S4 の差によって求めることが出来る。
(1)台形ADHEの面積:S3
3 ={(AD+HE)/2}×(0.25−0.05)
=[ {(0.075/0.25)×0.2×2+0.25}/2] ×0.2
=0.0620
(2)台形BCGFの面積:S4
4 ={(BC+GF)/2}×(0.25−0.05)
=[ {0.30+{(0.025/0.225)×0.069×2+0.162}}/2] ×0.2
≒0.0477
(3)台形ABFEの面積:S1 と台形CDHGの面積:S2 の和
1 +S2 =(S3 −S4 )≒0.0620−0.0477=0.0143
In addition, in the cross-sectional view of the sealing mechanism according to the present embodiment shown in FIG. 8, the sum of the area of trapezoid ABFE that is the compression margin: S 1 and the area of trapezoid CDHG: S 2 is the area of trapezoid ADHE: S 3 and the area of the trapezoid BCGF: can be obtained by the difference of S 4.
(1) Area of trapezoid ADHE: S 3
S 3 = {(AD + HE) / 2} × (0.25-0.05)
= [{(0.075 / 0.25) × 0.2 × 2 + 0.25} / 2] × 0.2
= 0.0620
(2) Trapezoid BCGF area: S 4
S 4 = {(BC + GF) / 2} × (0.25−0.05)
= [{0.30 + {(0.025 / 0.225) × 0.069 × 2 + 0.162}} / 2] × 0.2
≒ 0.0477
(3) Area of trapezoid ABFE: Area of S 1 and trapezoid CDHG: Sum of S 2 S 1 + S 2 = (S 3 −S 4 ) ≈0.0620−0.0477 = 0.0143

また、上記のS1 ,S2 ,S3 の数値から、本実施形態における圧縮代の面積:S1 +S2 の台形ADHEの面積:S3 に対する割合:{(S1 +S2 )/S3 }×100(%)を求めることが出来る。
すなわち、本実施形態における圧縮代の面積は、
(4)圧縮代の面積:S1 +S2 の台形ADHEの面積:S3 に対する割合
{(S1 +S2 )/S3 }×100≒(0.0143/0.0620)×100
≒23.1(%)
とされている。
Further, from the numerical values of S 1 , S 2 , and S 3 , the area of the compression allowance in the present embodiment: the ratio of the trapezoidal ADHE of S 1 + S 2 to the ratio of S 3 : {(S 1 + S 2 ) / S 3 } × 100 (%) can be obtained.
That is, the area of the compression allowance in this embodiment is
(4) Area of compression allowance: Area of S 1 + S 2 trapezoid ADHE: ratio to S 3 {(S 1 + S 2 ) / S 3 } × 100≈ (0.0143 / 0.0620) × 100
≒ 23.1 (%)
It is said that.

また、本実施形態では、シール凸条72の突出先端部の幅寸法:B1 がシール凹溝74の開口部の幅寸法:W2 よりも小さくされていることにより、シール凸条72が容易にシール凹溝74に挿入されるようになっている。 Further, in the present embodiment, the width of the projecting tip of the seal ridge 72: B 1 is smaller than the width of the opening of the seal groove 74: W 2 , so that the seal ridge 72 is easy. It is inserted into the seal groove 74.

ところで、本実施形態では、セパレータ24の主面34側に固着された主面シールゴム層38に対してシール凸条72やシール凹溝74が形成されて、シール機構が構成されている一方、図5において太線で示されているように、副面46側に固着された副面シールゴム層52に対しては、第一セパレータ20に固着された副面シールゴム層52aに対してシール凹溝76が形成されていると共に、第二セパレータ22に固着された副面シールゴム層52bに対してシール凸条78が形成されており、冷却水の漏れ出しを防ぐためのシール機構が構成されている。   By the way, in the present embodiment, the seal protrusion 72 and the seal groove 74 are formed on the main surface seal rubber layer 38 fixed to the main surface 34 side of the separator 24 to constitute a seal mechanism. 5, for the sub surface seal rubber layer 52 fixed to the sub surface 46 side, a seal ditch 76 is provided for the sub surface seal rubber layer 52 a fixed to the first separator 20. While being formed, a seal protrusion 78 is formed on the sub-surface seal rubber layer 52b fixed to the second separator 22, and a seal mechanism for preventing leakage of cooling water is configured.

かかる副面46側に形成されたシール凸条78とシール凹溝76は、副面46に形成された冷却水流路64や貫通孔30a〜fの周囲をそれぞれ囲むように延びて形成されている。なお、副面シールゴム層52と一体的に形成されたシール凸条78とシール凹溝76は、上述した主面シールゴム層38と一体的に形成されたシール凸条72及びシール凹溝74と、その断面形状や寸法等において略同一の構造を有しており、組付け状態においてシール効果が発揮される原理等についても同一であることから、冗長な記載を避けるために詳細な説明を省略する。   The seal protrusion 78 and the seal groove 76 formed on the side of the sub surface 46 are formed so as to surround the periphery of the cooling water flow path 64 and the through holes 30a to 30f formed on the sub surface 46, respectively. . The seal protrusions 78 and the seal grooves 76 formed integrally with the sub surface seal rubber layer 52 are the seal protrusions 72 and seal grooves 74 formed integrally with the main surface seal rubber layer 38 described above, Since the cross-sectional shape and dimensions have substantially the same structure, and the principle that the sealing effect is exhibited in the assembled state is also the same, detailed description is omitted to avoid redundant description. .

このような本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池10においては、第一セパレータ20と第二セパレータ22との重ね合わせ面間において主面シールゴム層38aと主面シールゴム層38bが重ね合わせられて、主面シールゴム層38aに形成されたシール凸条72が、主面シールゴム層38bに形成されたシール凹溝74に圧入されることにより、主面シールゴム層38aと主面シールゴム層38bの対向面間が流体密にシールされている一方、副面シールゴム層52aと副面シールゴム層52bが重ね合わせられて、副面シールゴム層52bに形成されたシール凸条82が、副面シールゴム層52aに形成されたシール凹溝76に圧入されることにより、副面シールゴム層52aと副面シールゴム層52bの対向面間が流体密にシールされている。これにより、燃料ガスや酸化ガスや、冷却水の漏れ出しによる発電効率の低下などの不具合を有利に回避することが出来て、燃料電池10の性能向上を実現することが出来る。   In the polymer electrolyte fuel cell 10 having the structure according to this embodiment, the main surface sealing rubber layer 38 a and the main surface sealing rubber layer 38 b are overlapped between the overlapping surfaces of the first separator 20 and the second separator 22. The seal ridges 72 formed in the main surface seal rubber layer 38a are press-fitted into the seal concave grooves 74 formed in the main surface seal rubber layer 38b, thereby the main surface seal rubber layer 38a and the main surface seal rubber layer 38b. The subsurface seal rubber layer 52a and the subsurface seal rubber layer 52b are overlapped to form a seal protrusion 82 formed on the subsurface seal rubber layer 52b. By being press-fitted into the seal concave groove 76 formed in 52a, there is a flow between the opposing surfaces of the sub surface seal rubber layer 52a and the sub surface seal rubber layer 52b. It is tightly sealed. Thereby, problems such as a decrease in power generation efficiency due to leakage of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water can be advantageously avoided, and the performance of the fuel cell 10 can be improved.

特に、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池10では、多数の単セル12が積層された状態で積層方向に組付け力を作用せしめる場合に問題となり易い、第一セパレータ20と第二セパレータ22の対向面間距離のばらつきによるシール性能の差が比較的小さくされている。即ち、シール凸条72(78)の幅方向両側面が何れも略同一の傾斜角度で傾斜せしめられた傾斜面とされていると共に、シール凹溝74(76)の幅方向両側面が何れもシール凸条72(78)の幅方向両側面と略同一の傾斜角度で傾斜せしめられた傾斜面とされていることから、重ね合わせ方向で作用せしめられる圧縮力の分力によってシール性能が発揮せしめられるようになっており、組付力が直接的に作用せしめられてシール効果が発揮される場合に比して、作用する組付力の大きさが異なる場合におけるシール性能の差が小さく抑えられているのである。   In particular, in the polymer electrolyte fuel cell 10 having the structure according to the present embodiment, the first separator 20 is likely to cause a problem when an assembly force is applied in the stacking direction in a state where a large number of single cells 12 are stacked. The difference in sealing performance due to the variation in the distance between the opposing surfaces of the second separator 22 is made relatively small. That is, both side surfaces in the width direction of the seal ridges 72 (78) are both inclined surfaces inclined at substantially the same inclination angle, and both side surfaces in the width direction of the seal grooves 74 (76) are both. Since the inclined surface is inclined at substantially the same inclination angle as both side surfaces in the width direction of the seal protrusion 72 (78), the sealing performance is exhibited by the component force of the compressive force acting in the overlapping direction. Compared to the case where the assembly force is applied directly and the sealing effect is exerted, the difference in the sealing performance when the applied assembly force is different is suppressed. -ing

また、第一セパレータに固着された主面シールゴム層38aと第二セパレータに固着された主面シールゴム層38bの間に固体高分子膜14が挟みこまれていることにより、主面シールゴム層38a,38b間に隙間が生じて、図8に示されているように、シール凸条72の突出先端面とシール凹溝74の底面が離隔して位置せしめられる。それ故、シール凸条72のシール凹溝74に対する圧入によってシール凸条72及びシール凹溝74が弾性変形せしめられた場合に、シール凸条72の基端部分とシール凹溝74の開口部分が弾性変形せしめられて主面シールゴム層38a,38bの対向面間に挟み込まれると共に、シール凸条72の突出先端面とシール凹溝74の底面の対向面間のスペースが膨出変形せしめられたゴム弾性体によって充填されることとなって、シール凸条72とシール凹溝74の幅方向両側壁面において均一なシール面が形成されて主面34側におけるシール性能を一層有利に得ることが出来る。   Further, since the solid polymer film 14 is sandwiched between the main surface sealing rubber layer 38a fixed to the first separator and the main surface sealing rubber layer 38b fixed to the second separator, the main surface sealing rubber layer 38a, As shown in FIG. 8, a gap is generated between 38 b, and the protruding tip end surface of the seal protrusion 72 and the bottom surface of the seal groove 74 are positioned apart from each other. Therefore, when the seal protrusion 72 and the seal groove 74 are elastically deformed by press-fitting the seal protrusion 72 into the seal groove 74, the base end portion of the seal protrusion 72 and the opening portion of the seal groove 74 are formed. Rubber that is elastically deformed and is sandwiched between the opposed surfaces of the main seal rubber layers 38a and 38b, and the space between the opposed surfaces of the projecting tip surface of the seal protrusion 72 and the bottom surface of the seal groove 74 is bulged and deformed. By being filled with the elastic body, a uniform seal surface is formed on both side walls in the width direction of the seal protrusion 72 and the seal groove 74, and the seal performance on the main surface 34 side can be obtained more advantageously.

また、図9には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部であるシール機構(組付け状態におけるシール凸条82及びシール凹溝84)の断面図が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同一の部材乃至は部位については、図中に同一の符号を付すことにより、詳細な説明を省略する。   FIG. 9 is a cross-sectional view of a seal mechanism (the seal ridge 82 and the seal groove 84 in the assembled state), which is a main part of the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment of the present invention. Has been. In the following description, members or portions that are substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態における固体高分子型燃料電池においては、主面シールゴム層76aに略半円形状の一定断面で延びるシール凸条82が形成されている。より詳細には、シール凸条82は、前記第一の実施形態と略同様に、ガス拡散領域36と貫通孔30をそれぞれ囲むように形成されている。なお、シール凸条82は、その断面における直径が0.3mm以上0.6mm以下であることが望ましく、本実施形態では、直径0.45mmの略半円形状とされている。また、本実施形態におけるシール凸条82においては、半円形状とされた部分が、0.05mmの高さを有して主面シールゴム層76aから突出せしめられた段差と一体的に形成されている。また、該段差の両側面には、半径0.05mmのフィレットアールが全長に亘って形成されており、シール凸条82が主面シールゴム層76aに対して滑らかに接続されている。これにより、本実施形態におけるシール凸条82は、その高さ寸法が0.23mmとされている。また、シール凸条82は、その基端部の幅寸法が、後述するシール凹溝(84)の開口部の幅寸法よりも大きくされていることが望ましく、特に本実施形態では0.45mmとされている。なお、本実施形態におけるシール凸条82は、略半円形の断面形状を有していることからも明らかなように、幅方向両側面を含む表面が、外方に凸となる略湾曲傾斜面を有して構成されている。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, the main surface seal rubber layer 76a is formed with seal ridges 82 extending in a substantially semicircular fixed cross section. More specifically, the seal ridge 82 is formed so as to surround the gas diffusion region 36 and the through hole 30 respectively, as in the first embodiment. In addition, as for the seal protrusion 82, it is desirable for the diameter in the cross section to be 0.3 mm or more and 0.6 mm or less, and it is set as the substantially semicircle shape with a diameter of 0.45 mm in this embodiment. Further, in the seal protrusion 82 in the present embodiment, the semicircular portion is integrally formed with a step having a height of 0.05 mm and protruding from the main surface seal rubber layer 76a. Yes. Further, a fillet radius having a radius of 0.05 mm is formed over the entire length on both side surfaces of the step, and the seal protrusion 82 is smoothly connected to the main surface seal rubber layer 76a. Thereby, the seal protrusion 82 in this embodiment has a height dimension of 0.23 mm. The width of the base end of the seal protrusion 82 is desirably larger than the width of the opening of a seal groove (84) described later, and in this embodiment, it is preferably 0.45 mm. Has been. As is clear from the fact that the seal protrusion 82 in the present embodiment has a substantially semicircular cross-sectional shape, the surface including both side surfaces in the width direction is a substantially curved inclined surface that protrudes outward. It is comprised.

また、本実施形態における固体高分子型燃料電池では、主面シールゴム層76bにシール凹溝84が形成されている。シール凹溝84は、台形状の断面形状で延びて形成されており、開口側に向かって次第に拡開する形状とされている。また、本実施形態におけるシール凹溝84の底面は、第二セパレータ22によって構成されている。要するに、本実施形態におけるシール凹溝84では、底面に主面シールゴム層76bが形成されていない。なお、特に本実施形態におけるシール凹溝84では、底面の溝幅寸法が0.20mmとされていると共に、開口部における溝幅寸法が0.40mmとされている。また、第二セパレータ22の金属腐食等を避けるために、第二セパレータ22を耐食材料で構成したり、腐食防止のための耐食皮膜加工を施したりすることが望ましい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, the seal concave groove 84 is formed in the main surface seal rubber layer 76b. The seal groove 84 is formed to extend in a trapezoidal cross-sectional shape, and has a shape that gradually expands toward the opening side. In addition, the bottom surface of the seal groove 84 in the present embodiment is configured by the second separator 22. In short, the main seal rubber layer 76b is not formed on the bottom surface of the seal concave groove 84 in the present embodiment. In particular, in the seal groove 84 in this embodiment, the groove width dimension of the bottom surface is 0.20 mm, and the groove width dimension in the opening is 0.40 mm. In order to avoid metal corrosion of the second separator 22, it is desirable that the second separator 22 be made of a corrosion-resistant material or subjected to a corrosion-resistant film processing for preventing corrosion.

ここにおいて、第一セパレータ20の主面34と第二セパレータ22の主面34が膜/電極接合体18を挟んで重ね合わせられると、第一セパレータ20に固着された主面シールゴム層76aと一体形成されたシール凸条82が第二セパレータ22に固着された主面シールゴム層76bに形成されたシール凹溝84に対して圧入される。特に本実施形態では、シール凸条82が略半円形断面で形成されているとともに、シール凹溝84が略等脚台形断面を有する溝形状とされていることにより、シール凸条82がシール凹溝84に容易に挿入されると共に、ある程度まで挿入された後には、シール凸条82の表面の一部とシール凹溝84の側壁面が圧接せしめられることとなり、かかる圧接点において、シール効果が有効に発揮せしめられることとなる。   Here, when the main surface 34 of the first separator 20 and the main surface 34 of the second separator 22 are overlapped with the membrane / electrode assembly 18 interposed therebetween, the main surface seal rubber layer 76a fixed to the first separator 20 is integrated. The formed seal protrusion 82 is press-fitted into the seal groove 84 formed in the main surface seal rubber layer 76 b fixed to the second separator 22. In particular, in this embodiment, the seal protrusion 82 is formed in a substantially semicircular cross section, and the seal groove 84 is formed in a groove shape having a substantially isosceles trapezoidal cross section. After being easily inserted into the groove 84 and after being inserted to a certain extent, a part of the surface of the seal protrusion 82 and the side wall surface of the seal groove 84 are brought into pressure contact with each other. It will be demonstrated effectively.

特に本実施形態では、シール凸条82の基端部の幅寸法が、シール凹溝84の開口部の幅寸法よりも大きくされている。それ故、シール凸条82をシール凹溝84に圧入して、確実にシール効果を発揮せしめることが出来る。   In particular, in this embodiment, the width dimension of the base end portion of the seal protrusion 82 is made larger than the width dimension of the opening of the seal groove 84. Therefore, the sealing protrusion 82 can be press-fitted into the sealing groove 84 to surely exert the sealing effect.

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。   As mentioned above, although some embodiment of this invention has been described, this is an illustration to the last, Comprising: This invention is not limited at all by the specific description in this embodiment.

例えば、前記第一の実施形態において等脚台形断面を有するシール凸条72を示すと共に、前記第二の実施形態において略半円形断面を有するシール凸条82を示し、それらが圧入されるシール凹溝74,84を等脚台形断面形状とした例を示したが、シール凸条は、これらの実施形態における具体的な記載によって何等限定されるものではない。具体的には、例えば、図10に示されているシール凸条86とそれに対応する断面形状とされたシール凹溝87のように、シール凸条及びシール凹溝の幅方向両側面が互いに異なる傾斜角度を有する傾斜面で構成されていても良い。   For example, in the first embodiment, the seal protrusion 72 having an isosceles trapezoidal cross section is shown, and in the second embodiment, the seal protrusion 82 having a substantially semicircular cross section is shown, and the seal recess into which they are press-fitted. Although the example which made the groove | channels 74 and 84 into the isosceles trapezoid cross-sectional shape was shown, the seal | sticker protruding item | line is not limited at all by the specific description in these embodiment. Specifically, for example, both the side surfaces in the width direction of the seal protrusion and the seal groove are different from each other like the seal protrusion 86 shown in FIG. 10 and the seal groove 87 having a cross-sectional shape corresponding thereto. You may be comprised by the inclined surface which has an inclination angle.

また、前記第一,第二の実施形態では、シール凹溝74,78,84が何れも台形断面を有する溝形状とされていたが、シール凹溝の形状は前記第一,第二の実施形態における具体的な記載によって何等限定されるものではない。具体的には、例えば、略半円形断面の溝形状等であっても良い。   In the first and second embodiments, the seal grooves 74, 78, and 84 all have a groove shape having a trapezoidal cross section. However, the shape of the seal groove is the first and second embodiments. It is not limited at all by the specific description in the form. Specifically, for example, a groove shape having a substantially semicircular cross section may be used.

また、前記第一,第二の実施形態におけるシール凸条72,76,82やシール凹溝74,78,84等の具体的な寸法については、好適な数値であって、何等限定的に解釈されるものではない。   The specific dimensions of the seal protrusions 72, 76, 82, the seal grooves 74, 78, 84, etc. in the first and second embodiments are suitable numerical values, and are limitedly interpreted. Is not to be done.

また、前記第一, 第二の実施形態では、ガス拡散領域36と貫通孔30がそれぞれ一条のシール凸条72(82)(シール凹溝74(84))によって取り囲まれていたが、かかるシール凸条72(82)やシール凹溝74(84)は、何れも複数条が形成されていても良い。このように複数条のシール凸条72,72・・・やシール凹溝74,74・・・を形成することにより、より確実なシール効果を得ることが出来て、発電効率の低下を有効に防ぐことが出来る。勿論、副面46側に形成されるシール凸条78やシール凹溝76が複数条形成されていても良い。   In the first and second embodiments, the gas diffusion region 36 and the through hole 30 are each surrounded by a single strip of projecting ridge 72 (82) (sealing groove 74 (84)). A plurality of ridges 72 (82) and seal grooves 74 (84) may be formed. Thus, by forming the plurality of seal ridges 72, 72... And the seal grooves 74, 74..., A more reliable sealing effect can be obtained, effectively reducing the power generation efficiency. Can be prevented. Of course, a plurality of seal ridges 78 and seal grooves 76 formed on the sub-surface 46 side may be formed.

また、前記第一,第二の実施形態では、第一セパレータ20に固着された主面シールゴム層38aにシール凸条72が形成されていると共に、第二セパレータ22に固着された主面シールゴム層38bにシール凹溝74が形成されている例を示したが、酸化ガス流路62を形成する第二セパレータ22側にシール凸条を形成すると共に、燃料ガス流路を形成する第一セパレータ20にシール凹溝74が形成されていても良い。また、副面46側に形成されるシール凸条78とシール凹溝76も、何れが第一セパレータ20に形成されていても良い。また、一方のセパレータにシール凸条72又はシール凹溝74の何れか一方のみが形成されている必要はなく、例えば、一つのセパレータ24に固着された主面シールゴム層38に対して、ガス拡散領域36を取り囲むようにシール凸条72が形成されていると共に、貫通孔30を取り囲むようにシール凹溝74が形成されていても良い。   In the first and second embodiments, the main surface seal rubber layer 38 a fixed to the first separator 20 is formed with the seal protrusion 72, and the main surface seal rubber layer fixed to the second separator 22. Although the example in which the seal groove 74 is formed in 38b is shown, the seal separator is formed on the second separator 22 side that forms the oxidizing gas channel 62, and the first separator 20 that forms the fuel gas channel. A seal groove 74 may be formed on the surface. Further, any of the seal protrusions 78 and the seal grooves 76 formed on the sub surface 46 side may be formed in the first separator 20. Further, it is not necessary to form only one of the seal protrusion 72 or the seal groove 74 on one separator. For example, gas diffusion is performed on the main surface seal rubber layer 38 fixed to one separator 24. The seal protrusion 72 may be formed so as to surround the region 36, and the seal groove 74 may be formed so as to surround the through hole 30.

また、前記第一,第二の実施形態では、主面34側に形成されたシール凸条72(82)と副面46側に形成されたシール凸条76が略同一の断面形状とされていると共に、主面34側に形成されたシール凹溝74(84)と副面46側に形成されたシール凹溝78が略同一の断面形状とされている例を示したが、必ずしも主面34側のシール凸条72(82)やシール凹溝74(84)と副面46側のシール凸条76やシール凹溝78が同一形状とされている必要はなく、例えば、要求されるシール性能に応じて、断面形状を異ならせたり、寸法を異ならせたりすることも可能である。   In the first and second embodiments, the seal protrusion 72 (82) formed on the main surface 34 side and the seal protrusion 76 formed on the sub surface 46 side have substantially the same cross-sectional shape. In addition, an example is shown in which the seal groove 74 (84) formed on the main surface 34 side and the seal groove 78 formed on the sub surface 46 side have substantially the same cross-sectional shape. The seal ridges 72 (82) and the seal grooves 74 (84) on the 34 side need not have the same shape as the seal ridges 76 and the seal grooves 78 on the sub-surface 46 side. Depending on the performance, the cross-sectional shape can be varied or the dimensions can be varied.

また、金属製セパレータ24に形成される凹溝32は、前記第一,第二の実施形態に示されているように葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。更に、凹溝32の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。   In addition, the concave grooves 32 formed in the metal separator 24 desirably extend in a distorted manner as shown in the first and second embodiments, but are necessarily in such a shape. There is no need. Furthermore, the cross-sectional shape of the concave groove 32 is not limited to the shape described in the embodiment. Specifically, for example, a concave groove having a rectangular cross section may be employed.

さらに、前記第一,第二の実施形態では、第一セパレータ20と第二セパレータ22が同一の金属製セパレータ24によって構成されていたが、第一セパレータ20と第二セパレータ22は、必ずしも同一の金属製セパレータ24で構成されている必要はなく、異なる形状等を有するセパレータで構成されていても良い。また、セパレータは、必ずしも金属製である必要はなく、ガスの不透過性や導電性、耐食性等の要求性能を満たす材料であればよい。具体的には、例えば、カーボン製や導電性樹脂製等の各種セパレータが採用可能である。   Furthermore, in the first and second embodiments, the first separator 20 and the second separator 22 are configured by the same metal separator 24, but the first separator 20 and the second separator 22 are not necessarily the same. It is not necessary to be comprised with the metal separator 24, and may be comprised with the separator which has a different shape. The separator is not necessarily made of metal, and may be any material that satisfies the required performance such as gas impermeability, conductivity, and corrosion resistance. Specifically, for example, various separators such as carbon and conductive resin can be used.

また、前記実施形態では、冷却水流路64を凹溝32によって金属製セパレータ24の副面46に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路64は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面46上で冷却水供給孔30eと冷却水排出孔30fを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。   In the embodiment, the cooling water channel 64 is formed by using the unevenness formed on the sub-surface 46 of the metal separator 24 by the concave groove 32. However, the cooling water channel 64 does not necessarily use such unevenness. It is not necessary to form. Furthermore, it is not necessary that the flow path has a substantially constant cross-sectional area, and it is only necessary that the cooling water supply hole 30e and the cooling water discharge hole 30f are connected on the sub-surface 46 so that the cooling water can flow.

また、凹溝32が接続される燃料ガス供給孔30aと燃料ガス排出孔b、或いは、凹状通路48が接続される冷却水供給孔30eと冷却水排出孔30fは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。勿論、酸化ガス供給孔30c及び酸化ガス排出孔30dについても同様であることは言うまでもない。   In addition, the fuel gas supply hole 30a and the fuel gas discharge hole b to which the concave groove 32 is connected, or the cooling water supply hole 30e and the cooling water discharge hole 30f to which the concave passage 48 is connected need not necessarily be one each. There is no. That is, a plurality of supply holes and discharge holes may be formed. In that case, a plurality of flow paths are formed so as to connect the holes. Needless to say, the same applies to the oxidizing gas supply hole 30c and the oxidizing gas discharge hole 30d.

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更,修正,改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。   In addition, although not enumerated one by one, the present invention can be carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements and the like are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that all are included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.

次に、このような本発明の一実施例として、シミュレーション結果のデータを示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとする。なお、本発明が以下に示す実施例の記載によって何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもない。また、本発明には、以下に記載の実施例の他にも、更には、上記の実施形態の記載以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。   Next, as an embodiment of the present invention, simulation result data will be shown to further clarify the present invention. In addition, it cannot be overemphasized that this invention does not receive any restrictions by description of the Example shown below. In addition to the examples described below, the present invention can be variously based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention other than the description of the above-described embodiments. It should be understood that changes, modifications, improvements, etc. may be made.

先ず、第一セパレータ20に固着される主面シールゴム層38aと第二セパレータ22に固着されるを主面シールゴム層38bを形成するために用いるゴム材料としては、本実施形態においては、HS=70とされたエチレン−プロピレンゴム(EPDM)を採用した場合を想定してシミュレーションを実施した。また、かかるゴム材料のヤング率:Eが5.096Mpaであると共に、ゴム材料のポアソン比:νが0.495とされている。なお、本実施例におけるシミュレーションには、ゴム材料用の非線形計算を行うことが出来るシミュレーションソフトを使用した。   First, as a rubber material used for forming the main surface sealing rubber layer 38a fixed to the first separator 20 and the main surface sealing rubber layer 38b fixed to the second separator 22, in this embodiment, HS = 70. The simulation was carried out assuming that the ethylene-propylene rubber (EPDM) was adopted. The rubber material has a Young's modulus E of 5.096 MPa and a Poisson's ratio ν of the rubber material of 0.495. For the simulation in this example, simulation software capable of performing nonlinear calculation for a rubber material was used.

かかるゴム材料を用いて、本発明に従う構造とされたシール凸条72及びシール凹溝74を有する主面シールゴム層38と、比較対象としての従来構造のシール構造を有する主面シールゴム層88,90をそれぞれ構築した。なお、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層38は、前記実施形態において示した構造を有しており、その形状及び寸法なども前記実施形態において示されている形状や寸法に順ずる。また、従来のシール構造を有する主面シールゴム層88は、図11に示されているように、第一セパレータ20に固着された主面シールゴム層88aに略半円形の断面形状を有するシール凸条92が形成されている一方、第二セパレータ22に固着された主面シールゴム層88bが略平坦面とされている。特に本実施例では、シール凸条92が直径0.3mmの略半円形断面を有している。更に、従来のシール構造を有する主面シールゴム層90は、図12に示されているように、第一セパレータ20に固着された主面シールゴム層90aに突出先端部分が略半円形の断面形状を有すると共に、基端部分が略台形の断面形状を有するシール凸条94が形成されていると共に、かかるシール凸条94を挟んだ両側にシール凸条94に沿って延びる凹溝が形成されている一方、第二セパレータ22に固着された主面シールゴム層90bが略平坦面とされている。特に本実施例では、シール凸条94の突出高さ寸法が0.15mmとされており、突出先端部分が直径0.2mmの半円形の断面形状とされている。また、シール凸条94を挟んだ両側に形成された凹溝は、深さ寸法が0.1mmとされており、底部の幅寸法が0.05mmとされている。   Using such a rubber material, the main surface seal rubber layer 38 having the seal protrusion 72 and the seal groove 74 having a structure according to the present invention, and the main surface seal rubber layers 88 and 90 having a conventional seal structure as a comparison target. Respectively. In addition, the main surface sealing rubber layer 38 having a structure according to the present invention has the structure shown in the above-described embodiment, and the shape and dimensions thereof are in accordance with the shape and dimensions shown in the above-described embodiments. Further, as shown in FIG. 11, the main surface seal rubber layer 88 having a conventional seal structure is a seal ridge having a substantially semicircular cross-sectional shape on the main surface seal rubber layer 88a fixed to the first separator 20. On the other hand, the main surface sealing rubber layer 88b fixed to the second separator 22 has a substantially flat surface. Particularly in this embodiment, the seal projection 92 has a substantially semicircular cross section having a diameter of 0.3 mm. Further, as shown in FIG. 12, the main surface seal rubber layer 90 having a conventional seal structure has a cross-sectional shape in which the protruding tip portion is substantially semicircular to the main surface seal rubber layer 90a fixed to the first separator 20. In addition, a seal protrusion 94 having a substantially trapezoidal cross-sectional shape at the base end portion is formed, and a groove extending along the seal protrusion 94 is formed on both sides of the seal protrusion 94. On the other hand, the main surface sealing rubber layer 90b fixed to the second separator 22 is a substantially flat surface. In particular, in this embodiment, the projecting height dimension of the seal protrusion 94 is 0.15 mm, and the projecting tip portion has a semicircular cross-sectional shape having a diameter of 0.2 mm. Further, the recessed grooves formed on both sides of the seal protrusion 94 have a depth dimension of 0.1 mm and a bottom width dimension of 0.05 mm.

そして、組付状態において、各主面シールゴム層38の全体の厚さ寸法がそれぞれT1 ,T2 ,T3 とされた三つの状態でそれぞれ主面シールゴム層38内部の応力分布を実測した。即ち、主面シールゴム層38aと主面シールゴム層38bとの対向面間距離を異ならせることにより、
条件(A):厚さ寸法:T1 =0.550mm
条件(B):厚さ寸法:T2 =T1 −0.025mm=0.525mm
条件(C):厚さ寸法:T3 =T1 +0.025mm=0.575mm
とされた三つの条件下における応力分布を測定した。なお、条件(A),条件(B),条件(C)における応力分布の実測データをそれぞれ図13,14,15に示す。
Then, in the assembled state, the stress distribution inside the main surface seal rubber layer 38 was measured in three states in which the total thickness of each main surface seal rubber layer 38 was T 1 , T 2 , and T 3 , respectively. That is, by making the distance between the opposing surfaces of the main surface sealing rubber layer 38a and the main surface sealing rubber layer 38b different,
Condition (A): Thickness dimension: T 1 = 0.550 mm
Condition (B): Thickness dimension: T 2 = T 1 −0.025 mm = 0.525 mm
Condition (C): Thickness dimension: T 3 = T 1 +0.025 mm = 0.575 mm
The stress distribution under the three conditions was measured. The measured data of the stress distribution under the conditions (A), (B), and (C) are shown in FIGS.

また、主面シールゴム層88a,88b及び主面シールゴム層90a,90bにおいても、同様に厚さ寸法:Tの異なる三つの状態において主面シールゴム層88a,88b及び主面シールゴム層90a,90bの応力分布を実測した。なお、図16,17,18に、条件(A),条件(B),条件(C)における主面シールゴム層88a,84の応力分布の実測データを示すと共に、図19,20,21には、条件(A),条件(B),条件(C)における主面シールゴム層90a,90bの応力分布の実測データを示す。   Similarly, in the main surface sealing rubber layers 88a and 88b and the main surface sealing rubber layers 90a and 90b, the stresses of the main surface sealing rubber layers 88a and 88b and the main surface sealing rubber layers 90a and 90b in three states having different thickness dimensions: T. The distribution was measured. 16, 17, and 18 show measured data of the stress distribution of the main seal rubber layers 88 a and 84 under the conditions (A), (B), and (C), and FIGS. The actual measurement data of the stress distribution of the main surface seal rubber layers 90a and 90b under the conditions (A), (B), and (C) are shown.

図13,14,15によれば、本発明に従う主面シールゴム層38a,38bでは、シール凸条72とシール凹溝74の側壁面の一部、即ち、矢印で示されたシール凸条72の突出先端部分において、応力の最大値が計測された。具体的には、図13に示されているように、条件(A)においては、シール凸条72の突出先端付近で応力の最大値として1.47MPaの応力値が計測された。また、図14に示されているように、条件(B)においては、シール凸条72の突出先端付近で応力の最大値として1.56MPaの応力値が計測された。更に、図15に示されているように、条件(C)においては、シール凸条72の突出先端付近で応力の最大値として1.17MPaの応力値が計測された。   According to FIGS. 13, 14, and 15, in the main surface seal rubber layers 38 a and 38 b according to the present invention, a part of the side wall surface of the seal protrusion 72 and the seal groove 74, that is, the seal protrusion 72 indicated by an arrow. The maximum value of stress was measured at the protruding tip. Specifically, as shown in FIG. 13, under condition (A), a stress value of 1.47 MPa was measured as the maximum value of stress near the protruding tip of the seal protrusion 72. Further, as shown in FIG. 14, under the condition (B), a stress value of 1.56 MPa was measured as the maximum stress value in the vicinity of the protruding tip of the seal protrusion 72. Furthermore, as shown in FIG. 15, under the condition (C), a stress value of 1.17 MPa was measured as the maximum stress value in the vicinity of the protruding tip of the seal protrusion 72.

一方、図16,17,18によれば、従来構造の主面シールゴム層88a,84では、シール凸条92が押し付けられる主面シールゴム層88bの内部において応力の最大値が計測された。具体的には、図16に示されているように、条件(A)においては、主面シールゴム層88bの内部で応力の最大値として1.55MPaの応力値が計測された。また、図17に示されているように、条件(B)においては、主面シールゴム層88bの内部で応力の最大値として2.08MPaの応力値が計測された。更に、図18に示されているように、条件(C)においては、主面シールゴム層88bの内部で応力の最大値として1.13MPaの応力値が計測された。   On the other hand, according to FIGS. 16, 17, and 18, in the main surface seal rubber layers 88a and 84 of the conventional structure, the maximum value of stress was measured inside the main surface seal rubber layer 88b against which the seal protrusion 92 was pressed. Specifically, as shown in FIG. 16, under the condition (A), a stress value of 1.55 MPa was measured as the maximum value of stress inside the main surface seal rubber layer 88b. Further, as shown in FIG. 17, under the condition (B), a stress value of 2.08 MPa was measured as the maximum value of stress inside the main surface sealing rubber layer 88b. Further, as shown in FIG. 18, under the condition (C), a stress value of 1.13 MPa was measured as the maximum value of stress inside the main surface sealing rubber layer 88b.

更にまた、図19,20,21によれば、従来構造の主面シールゴム層90a,90bでは、シール凸条94の内部において応力の最大値が計測された。具体的には、図19に示されているように、条件(A)においては、シール凸条94の内部で応力の最大値として1.74MPaの応力値が計測された。また、図20に示されているように、条件(B)においては、シール凸条94の内部で応力の最大値として2.26MPaの応力値が計測された。更に、図21に示されているように、条件(C)においては、シール凸条94の内部で応力の最大値として1.30MPaの応力値が計測された。   Furthermore, according to FIGS. 19, 20, and 21, in the main surface seal rubber layers 90 a and 90 b of the conventional structure, the maximum value of stress was measured inside the seal protrusion 94. Specifically, as shown in FIG. 19, under the condition (A), a stress value of 1.74 MPa was measured as the maximum value of stress inside the seal protrusion 94. Further, as shown in FIG. 20, under the condition (B), a stress value of 2.26 MPa was measured as the maximum value of stress inside the seal protrusion 94. Furthermore, as shown in FIG. 21, under the condition (C), a stress value of 1.30 MPa was measured as the maximum value of stress inside the seal protrusion 94.

以上の応力分布の実測データによって、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層38a,38bでは、主面シールゴム層間の離隔距離が異なる場合における応力のばらつきが最も小さくなることが証明された。   From the measured data of the stress distribution described above, it has been proved that, in the main surface sealing rubber layers 38a and 38b having the structure according to the present invention, the variation in stress is minimized when the separation distance between the main surface sealing rubber layers is different.

すなわち、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層38では、条件(A)における応力の最大値と条件(B)における応力の最大値との差が0.09MPaとなっている。また、条件(A)における応力の最大値:と条件(C)における応力の最大値の差が0.30MPaとなっている。   That is, in the main surface sealing rubber layer 38 having a structure according to the present invention, the difference between the maximum stress value in the condition (A) and the maximum stress value in the condition (B) is 0.09 MPa. Further, the difference between the maximum stress value in the condition (A): and the maximum stress value in the condition (C) is 0.30 MPa.

一方、従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層88では、条件(A)における応力の最大値と条件(B)における応力の最大値の差が0.53MPaとなっている。また、条件(A)における応力の最大値:と条件(C)における応力の最大値の差が0.42MPaとなっている。   On the other hand, in the main surface sealing rubber layer 88 having the conventional sealing mechanism, the difference between the maximum stress value in the condition (A) and the maximum stress value in the condition (B) is 0.53 MPa. Further, the difference between the maximum stress value in the condition (A): and the maximum stress value in the condition (C) is 0.42 MPa.

また一方、従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層90では、条件(A)における応力の最大値と条件(B)における応力の最大値の差が0.52MPaとなっている。また、条件(A)における応力の最大値:と条件(C)における応力の最大値の差が0.44MPaとなっている。   On the other hand, in the main surface sealing rubber layer 90 having the conventional sealing mechanism, the difference between the maximum stress value in the condition (A) and the maximum stress value in the condition (B) is 0.52 MPa. Further, the difference between the maximum stress value in the condition (A): and the maximum stress value in the condition (C) is 0.44 MPa.

以上より明らかなように、主面シールゴム層の対向面間距離が基準となるT1 とされた条件(A)と、条件(A)に対して一対の主面シールゴム層の対向面間距離が25μmだけ接近せしめられた場合である条件(B)と、条件(A)に対して一対の主面シールゴム層の対向面間距離が25μmだけ離隔せしめられた場合である条件(C)の3つの条件下でのシミュレーションにおいて、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層38は、各条件間における応力の最大値の差が最も小さい。即ち、本発明に従う構造を有する主面シールゴム層38(シール機構)では、重ね合わせられる一対の主面シールゴム層38a,38bの対向面間距離が異なる場合であっても、安定して所期のシール性能を発揮できることがシミュレーションによっても証明されたのである。   As is clear from the above, the condition (A) in which the distance between the opposed surfaces of the main surface sealing rubber layer is the reference T1, and the distance between the opposed surfaces of the pair of main surface sealing rubber layers is 25 μm with respect to the condition (A). Three conditions: a condition (B) in which the distance between the opposing surfaces of the pair of main surface sealing rubber layers is separated from the condition (A) by 25 μm. In the simulation below, the main surface sealing rubber layer 38 having the structure according to the present invention has the smallest difference in the maximum stress value between the conditions. That is, in the main surface sealing rubber layer 38 (sealing mechanism) having the structure according to the present invention, even when the distance between the opposing surfaces of the pair of main surface sealing rubber layers 38a and 38b to be overlapped is different, the expected surface is stably obtained. It was proved by simulation that the sealing performance can be demonstrated.

しかも、従来構造のシール機構のシミュレーション結果を示した図16〜図21によれば、最大の応力がシール面(シール凸条と主面シールゴム層の圧接部分)ではなく、主面シールゴム層88b又は主面シールゴム層90aに形成されたシール凸条94の内部において生じており、生じる応力をシール効果に巧く利用することが出来ないと共に、十分なシール効果を得るためには、過大な内部応力が生じることとなり、かかる内部応力による耐久性の低下などの悪影響が生じるおそれがある。一方、図13〜15に示されたシミュレーションの結果によれば、本発明に従う構造とされたシール機構においては、シール面(シール凸条72の幅方向両側面とシール凹溝74の幅方向両側面)において最大の応力が計測されており、シール構造において発揮される最大の応力を巧くシール効果の発現に利用していることが明らかである。従って、かかるシール機構を有する本発明に従う構造とされた燃料電池10においては、重ね合わせ方向で作用せしめられる圧縮力が比較的小さい場合においても十分なシール効果を発揮することが出来ると共に、優れた耐久性を実現することも出来得るのである。   And according to FIGS. 16-21 which showed the simulation result of the sealing mechanism of the conventional structure, the maximum stress is not the sealing surface (the press contact portion of the sealing protrusion and the main surface sealing rubber layer), but the main surface sealing rubber layer 88b or It is generated inside the seal protrusion 94 formed on the main surface seal rubber layer 90a, and the generated stress cannot be used skillfully for the sealing effect, and in order to obtain a sufficient sealing effect, an excessive internal stress is required. This may cause adverse effects such as a decrease in durability due to the internal stress. On the other hand, according to the simulation results shown in FIGS. 13 to 15, in the sealing mechanism having the structure according to the present invention, the sealing surfaces (the both sides in the width direction of the seal protrusion 72 and the both sides in the width direction of the seal groove 74). It is clear that the maximum stress exhibited in the seal structure is skillfully utilized for the expression of the sealing effect. Therefore, the fuel cell 10 having such a sealing mechanism and having a structure according to the present invention can exhibit a sufficient sealing effect even when the compressive force applied in the overlapping direction is relatively small, and is excellent. Durability can also be achieved.

本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池を示した斜視説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective explanatory view showing a polymer electrolyte fuel cell as a first embodiment of the present invention. 図1に示された燃料電池を構成する単セルを示した斜視説明図である。FIG. 2 is a perspective explanatory view showing a single cell constituting the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示された燃料電池を構成する金属製セパレータの主面を示した正面図である。It is the front view which showed the main surface of the metal separator which comprises the fuel cell shown by FIG. 図3に示された金属製セパレータの主面に主面シールゴム層を被着形成した状態を示す正面図である。It is a front view which shows the state which adhere | attached and formed the main surface sealing rubber layer on the main surface of the metal separator shown by FIG. 図4に示された金属製セパレータの副面に副面シールゴム層を被着形成した状態を示す正面図である。FIG. 5 is a front view showing a state in which a sub surface sealing rubber layer is formed on the sub surface of the metal separator shown in FIG. 図1に示された燃料電池を構成する単セルの組付け状態における位置決め部を拡大して示す縦断面拡大図である。FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a positioning portion in an assembled state of single cells constituting the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示された燃料電池を構成する単セルの組付け状態における主面シールゴム層を拡大して示す縦断面拡大図である。FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a main surface sealing rubber layer in an assembled state of single cells constituting the fuel cell shown in FIG. 1. 図7に示された主面シールゴム層の要部を示す縦断面説明図である。It is a longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows the principal part of the main surface sealing rubber layer shown by FIG. 本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部を示す縦断面説明図である。It is a longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows the principal part of the polymer electrolyte fuel cell as 2nd embodiment of this invention. 本発明の別の一実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部を示す縦断面説明図である。It is a longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows the principal part of the polymer electrolyte fuel cell as another one Embodiment of this invention. 比較対象としての従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層を示す縦断面説明図である。It is longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows the main surface sealing rubber layer which has the sealing mechanism of the conventional structure as a comparison object. 比較対象としての別の従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層を示す縦断面説明図である。It is a longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows the main surface sealing rubber layer which has another conventional structure sealing mechanism as a comparison object. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example. 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the measurement result of the stress distribution by the simulation as an Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池
12 単セル
14 固体高分子膜
16a 燃料電極
16b 酸化電極
18 膜/電極接合体
20 第一セパレータ
22 第二セパレータ
36 ガス拡散領域
38a 主面シールゴム層
38b 主面シールゴム層
52 副面シールゴム層
72 シール凸条
74 シール凹溝
76 シール突条
78 シール凹溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Single cell 14 Solid polymer membrane 16a Fuel electrode 16b Oxidation electrode 18 Membrane / electrode assembly 20 First separator 22 Second separator 36 Gas diffusion region 38a Main surface seal rubber layer 38b Main surface seal rubber layer 52 Sub surface seal rubber layer 72 Sealing ridge 74 Sealing groove 76 Sealing ridge 78 Sealing groove

Claims (12)

固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜/電極接合体にセパレータが両面から重ね合わされて燃料電池セルが構成され、更に該燃料電池セルの複数が重ね合わされて積層構造とされた燃料電池において、
互いに重ね合わされる前記セパレータの重ね合わせ面においてそれぞれシールゴム層が形成されており、一方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には開口側に向かって拡幅する断面形状のシール溝が形成されていると共に、他方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には先端側に向かって狭幅する断面形状のシール突条が形成されており、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられて、該シール突条の幅方向両側の傾斜面が該シール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられて弾性変形せしめられることによりシール機構が構成されていることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising a membrane / electrode assembly in which electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane to form a fuel cell by laminating the separator from both sides, and a fuel cell having a laminated structure in which a plurality of the fuel cells are further superimposed In
A sealing rubber layer is formed on each of the overlapping surfaces of the separators that are overlapped with each other, and a sealing groove having a cross-sectional shape that widens toward the opening side is formed on the sealing rubber layer on the overlapping surface of one of the separators. In addition, the seal rubber layer on the overlapping surface of the other separator is formed with a seal protrusion having a cross-sectional shape narrowing toward the front end side, and the seal protrusion is fitted into the seal groove. The fuel cell is characterized in that a sealing mechanism is constituted by the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal protrusion being pressed against the inclined surfaces on both sides in the width direction of the seal groove and being elastically deformed.
前記膜/電極接合体を挟んで重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面において、該膜/電極接合体の周りを取り囲むように前記シール溝と前記シール突条からなる前記シール機構が設けられている請求項1に記載の燃料電池。   The sealing mechanism including the sealing groove and the sealing protrusion is provided so as to surround the membrane / electrode assembly on the overlapping surface of the separator that is overlapped with the membrane / electrode assembly interposed therebetween. The fuel cell according to claim 1. 互いに重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シールゴム層の対向面間に隙間が存在せしめられていると共に、前記シール溝の底面と前記シール突条の先端面との間にも隙間が存在せしめられている請求項1又は2に記載の燃料電池。   Between the overlapping surfaces of the separators overlapped with each other, there is a gap between the opposing surfaces of the seal rubber layer, and there is also a gap between the bottom surface of the seal groove and the front end surface of the seal protrusion. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is present. 前記シール溝と前記シール突条が、何れも、左右対称の断面形状とされている請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein each of the seal groove and the seal protrusion has a symmetrical cross-sectional shape. 5. 前記シール溝の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度と、前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度との差が、±10度以下とされている請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池。   The difference between the inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal groove and the inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal protrusion is ± 10 degrees or less. 5. The fuel cell according to any one of 4 above. 前記シール溝の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度と、前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面の傾斜角度が、何れも、少なくとも互いに押し付けられる領域において、前記セパレータの表面に対して20度以上且つ70度以下とされている請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料電池。   The inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal groove and the inclination angle of the inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal protrusion are both at least on the surface of the separator in a region pressed against each other. 6. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is set to 20 degrees or more and 70 degrees or less. 前記シール突条の断面における幅方向両側の傾斜面が、外方に凸となる湾曲傾斜面とされている請求項1乃至6の何れか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein inclined surfaces on both sides in the width direction in the cross section of the seal protrusion are curved inclined surfaces that protrude outward. 前記シール溝における開口部の幅寸法が、前記シール突条における先端部の幅寸法よりも大きくされていると共に、該シール溝における底部の幅寸法が、該シール突条における先端部の幅寸法よりも小さくされている請求項1乃至7の何れか1項に記載の燃料電池。   The width of the opening in the seal groove is larger than the width of the tip of the seal ridge, and the width of the bottom of the seal groove is greater than the width of the tip of the seal ridge. The fuel cell according to claim 1, which is also made smaller. 前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シール突条の圧縮代が断面積において5〜20%とされている請求項1乃至8の何れか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein a compression allowance of the seal protrusion is 5 to 20% in a cross-sectional area between the overlapping surfaces of the separators. 前記セパレータの表面には、前記シール溝の幅方向両側および前記シール突条の幅方向両側に広がって前記シールゴム層が形成されていると共に、該シール溝の底部も該セパレータの表面が該シールゴム層で被覆されている請求項1乃至9の何れか1項に記載の燃料電池。   On the surface of the separator, the seal rubber layer is formed so as to spread on both sides in the width direction of the seal groove and on both sides in the width direction of the seal protrusion, and the surface of the separator is also formed on the bottom surface of the seal groove. The fuel cell according to claim 1, which is coated with 前記シール突条の突出高寸法が、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の75〜125%とされている請求項1乃至10の何れか1項に記載の燃料電池。   11. The fuel cell according to claim 1, wherein a protruding height of the seal protrusion is 75 to 125% of a thickness of the seal rubber layer in which the seal groove is formed. 前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の50〜125%の厚さ寸法をもって、前記シール突条の基端部分に前記シールゴム層が形成されている請求項1乃至11の何れか1項に記載の燃料電池。
12. The seal rubber layer according to claim 1, wherein the seal rubber layer is formed at a base end portion of the seal protrusion with a thickness dimension of 50 to 125% of a thickness dimension of the seal rubber layer in which the seal groove is formed. 2. The fuel cell according to item 1.
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