JP2010277957A - 燃料電池シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれを抑えるのに有利な燃料電池シール構造を提供する。
【解決手段】構造は、第１シール溝５を有する第１セパレータ３と、第１セパレータ３の第１シール溝５に配置されたシール部６と、第１セパレータ３に積層されシール部６を圧潰変形させる第２シール溝７を有する第２セパレータ４とを備える。シール部６を横断する方向に沿った断面において、第２シールの溝幅寸法Ｅ２は第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池シール構造に関する。

燃料電池に使用されるシール構造として、流体通路の外側に形成された第１シール溝を有する第１セパレータと、第１セパレータの第１シール溝に配置された厚み方向に圧潰変形するシール部と、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されるときにおいて第１シール溝に対面する第２シール溝を有する第２セパレータとを備えるものが知られている（特許文献１，２，３）。このものによれば、第１シール溝の溝幅は第２シール溝の溝幅と同一とされている。

特開２００７−２９４２４８号公報 特開２００８−１２３８１２公報 特開２００３−１２３７９７公報

第１セパレータおよび第２セパレータを積層させる組み付け時において、シール部がこれの厚み方向に圧潰変形されるとき、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が盛り上がり、その肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、シール部がこれの厚み方向に強く圧潰変形されるときであっても、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれが抑えられ、第１セパレータと第２セパレータとの境界におけるシール性を更に向上させるのに有利な燃料電池シール構造を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池シール構造は、（Ｉ）燃料電池システムで使用される流体が流れる流体通路をシールする位置に形成された第１シール溝を有する第１セパレータと、（ｉｉ）流体通路をシールするために第１セパレータの第１シール溝に配置された厚み方向に圧潰変形するシール部と、（ｉｉｉ）第１セパレータに積層され、第１セパレータの第１シール溝に対面すると共に前記シール部を圧潰変形させ得る第２シール溝を有する第２セパレータとを具備しており、（ｉｖ）シール部を横断する方向に沿った断面において、第２シール溝の溝幅寸法は、第１シール溝の溝幅寸法よりも大きく設定されている。

第１セパレータおよび第２セパレータがこれらの厚み方向に積層されて組み付けられるとき、第１セパレータおよび第２セパレータにより、シール部はこれの厚み方向に強圧される。よってシール部はこれの厚み方向に圧潰変形され、第１セパレータと第２セパレータとの境界におけるシール性を高める。圧潰変形によっては、第１シール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれがある。

殊に、第１セパレータと第２セパレータとがこれらの面方向に互いに多少ずれて組み付けられるとき、圧潰変形によっては、シール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれがある。

そこで本発明によれば、シール部を横断する方向に沿った断面において、シール部に対面する第２シール溝の溝幅寸法は、第１シール溝の溝幅寸法よりも大きく設定されている。このため、第１セパレータおよび第２セパレータを積層させて組み付けるにあたり、第１シール溝がこれの厚み方向に圧潰変形されるときであっても、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれが抑制または回避される。殊に、第１セパレータと第２セパレータとがこれらの面方向に互いに多少ずれて組み付けられるときであっても、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれが抑制または回避される。

更に、第１セパレータおよび第２セパレータを積層させて組み付けた後の状態において、外力が第１セパレータおよび／または第２セパレータに作用したとしても、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれが抑制または回避される。

以上説明したように本発明によれば、シール部がこれの厚み方向に圧潰変形されるときであっても、あるいは、シール部がこれの厚み方向に圧潰変形されている状態のときであっても、圧潰変形されたシール部を構成する肉部分が第１セパレータと第２セパレータとの境界に噛み込むおそれが抑制または回避される。このため第１セパレータと第２セパレータとの境界におけるシール性を高めることができ、シール不良が抑えられる。

実施形態１に係り、燃料電池を模式的に示す平面図である。 実施形態１に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させる前の状態を示す断面図である。 実施形態１に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態１に係り、面方向にずれが発生しつつ第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態１に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態２に係り、第１セパレータを示す正面図である。 実施形態２に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させる前の状態を示す断面図である。 実施形態２に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態４に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させる前の状態を示す断面図である。 実施形態５に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態７に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させた後の状態を示す断面図である。 実施形態８に係り、第１セパレータと第２セパレータとを積層させる前の状態を示す断面図である。

第１セパレータは、燃料電池システムで使用される流体が流れる流体通路をシールする位置に形成された第１シール溝を有する。シール部は、流体通路をシールするために第１セパレータの第１シール溝に配置されており、厚み方向に圧潰変形可能なシール材料で形成されている。第２セパレータは、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されるときにおいて、第１シール溝に対面すると共にシール部を圧潰変形させる第２シール溝を有する。

シール部を横断する方向に沿った断面において、第２シール溝の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。Ｅ２／Ｅ１の値は適宜設定できるが、１．０１〜３．０の範囲内、殊に１．０５〜２．０の範囲内、１．１〜１．４の範囲内を例示できる。但しこれに限定されるものではない。

ΔＥ＝Ｅ２−Ｅ１＝０．０１〜１０ミリメートルの範囲内が好ましく、殊に０．２〜５ミリメートルの範囲内が好ましい。但しこれに限定されない。ΔＥ／（突起部６１の高さ）＝０．１〜１０が好ましく、殊に０．２〜５が好ましい。ΔＥ／（第１シール溝５の深さと第２シール溝７の深さとの合計）＝１〜１５が好ましく、殊に３〜１０が好ましい。

本発明の一視点によれば、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されていないとき、第１シール溝の溝側面と、第１シール溝の溝側面に対向するシール部の外側面との間には、シール部の変形を許容する隙間が形成されていることが好ましい。この場合、シール部を構成する肉部分の逃げ空間が確保され、シール部の噛み込みの抑制に一層有利である。

本発明の一視点によれば、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されている状態のとき、第１シール溝の溝側面と、第１シール溝の溝側面に対向するシール部の外側面との間には、シール部の変形を許容する隙間が形成されていることが好ましい。この場合、シール部を構成する肉部分の逃げ空間が確保され、シール部の噛み込みの抑制に一層有利である。

本発明の一視点によれば、第１セパレータおよび第２セパレータのうちの少なくとも一方は、定寸接触部を備えており、定寸接触部は、シール部の外縁および／または内縁側に形成され、且つ、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されているとき他方に接触してシール部の潰れ代を規定することが好ましい。この場合、シール部の潰れ代が規定され、シール部の潰れ代のばらつきが抑制される。このため、第１セパレータと第２セパレータとの境界におけるシール性のばらつきを一層抑制でき、シール性を向上させ得る。

本発明の一視点によれば、第２シール溝の横断方向において、第２シール溝の両端には、これの溝底面よりも深さが深い窪みが形成されていることが好ましい。この場合、空間が確保され、シール部の噛み込みの抑制に一層有利である。

（実施形態１）
本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１はスタック１を模式的に示す。スタック１は、複数のセパレータを厚み方向に膜電極接合体１１（ＭＥＡ）と交互に積層させて構成されたセル積層体１２と、セル積層体１２の積層方向（矢印Ｘ方向）の外側に配置され電気を取り出すための導電材料で形成された集電板１３ａ，１３ｂと、積層方向（矢印Ｘ方向）において集電板１３ａ，１３ｂの外側に配置された電気絶縁板１４ａ，１４ｂと、積層方向（矢印Ｘ方向）において電気絶縁板１４ａの外側に配置された金属または硬質樹脂で形成された第１端プレート１５と、積層方向において電気絶縁板１４ｂの外側に配置された金属または硬質樹脂で形成された第２端プレート１６と、積層方向において第２端プレート１６よりも内側に配置され複数個のバネ１７の付勢力でセル積層体１２のセパレータ同士を密着させる加圧部材１８と、端プレート１５，１６間の寸法を拘束させる拘束部材１９とを有する。

ここで、積層方向（矢印Ｘ方向）に互いに隣設する二枚のセパレータを、第１セパレータ３および第２セパレータ４と呼ぶ。第１セパレータ３および第２セパレータ４は同種、同系、類似形状のものでも良いし、異なる形状のものでも良い。セパレータ３，４は、耐食性および導電性が良い炭素材で形成されているが、場合によっては、耐食性が良い金属（例えばステンレス鋼等の合金鋼）で形成されていてもよい。

図１に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４で挟まれている膜電極接合体１１は、イオン伝導性を有する電解質膜１１０（例えば固体高分子形）をカソード層１１１とアノード層１１２とで挟んで形成されている。第１セパレータ３は、アノード流体（アノードガス）およびカソード流体（カソードガス）のうちの一方を膜電極接合体１１に供給する通路３ｐをもつ。第２セパレータ４は、アノード流体およびカソード流体のうちの他方を膜電極接合体１１に供給する通路４ｐをもつ。

図２に示すように、第１セパレータ３はこれの一方の表面３ｒに凹状の第１シール溝５を有する。第１シール溝５は、第１溝底面５ｂと、第１溝底面５ｂを隔て互いに対向する第１溝側面５ｆ，５ｓとを有する。第１溝底面５ｂは平坦状とされている。第１溝側面５ｆ，５ｓは第１溝底面５ｂに対して立設されている。第１シール溝５の深さはｈ１として示される。第１シール溝５は、燃料電池システムで使用される流体が流れる流体通路をシールする位置に形成されている。流体通路を流れる流体としては、アノード流体、アノードオフ流体、カソード流体、カソードオフ流体のいずれかが例示され、更に、燃料電池を冷却させる冷却媒体が例示される。流体としては気体、液体、ミストのいずれでも良い。

シール部６は、流体通路をシールするために第１セパレータ３の第１シール溝５に配置されており、厚み方向に圧潰変形可能なシール材料で形成されているガスケットで形成されている。具体的には、シール部６は、第１シール溝５の第１溝底面５ｂに接着材または加硫接着等により固着されている。但し、場合によっては、シール部６を第１シール溝５に非接着として嵌めるだけにしてもよい。

シール材料としては樹脂やゴムなどの高分子系材料が例示される。具体的には、フッ素系、ＥＰＤＭ系、ＮＢＲ系、シリコーン系が例示される。シール部６は、第１シール溝５に保持される基部６０と、基部６０よりも第１シール溝５から離れる方向に突出するシールリップとして機能する突出部６１とで形成されている。基部６０のうち溝底面５ｂに背向する表面６０ｕは、第１セパレータ３の一方の表面３ｒと同じ程度の高さとされている。この場合、シール性の向上を期待できるものの、表面６０ｕ側の肉部分がセパレータ３，４の境界に噛み込まれるおそれがある。但し、表面６０ｕの高さはこれに限定されるものではない。従って表面６０ｕは、第１セパレータ３の表面３ｒよりも低くても良いし、高くても良い。

セパレータ３，４が積層される前の状態では、図２に示すように、シール部６の突出部６１の先端部６１ｅは、第１セパレータ３の一方の表面３ｒから突き出るようにされている。積層前の状態では、突出部６１の横断方向の幅寸法Ａは、突出部６１の先端部６１ｅに向かうにつれて次第に小さくなる。すなわち突出部６１の横断面の形状は山形状をなしている。ただし、これに限らず、突出部６１の横断面の形状は適宜設定されるものであり、台形状としてもよい。

第２セパレータ４はこれの他方の表面４ｔ（第１セパレータ３の表面３ｒと対向する側）に凹状の第２シール溝７を有する。第２シール溝７は、燃料電池システムで使用される流体が流れる流体通路をシールする位置に形成されている。第２シール溝７は、第１シール溝５の第１溝底面５ｂに対向する第２溝底面７ｂと、互いに対向する第２溝側面７ｆ，７ｓとを有する。第２溝底面７ｂは平坦状とされている。第２溝側面７ｆ，７ｓは第２溝底面７ｂに対して立設されている。第２シール溝７の深さはｈ２として示される。ここで、深さｈ１，ｈ２が過剰に大きいとき、第１セパレータ３および第２セパレータ４の厚みが増加する傾向がある。深さｈ１，ｈ２が過剰に小さいとき、第１セパレータ３および第２セパレータ４の厚みを減少させ得るものの、シール部６の変形性が制約され、シール部６のシール性に影響を与えるおそれがある。なお、ｈ１＝ｈ２、ｈ１≒ｈ２にできる。但し、場合によっては、ｈ１＞ｈ２、ｈ１＜ｈ２としてもよい。ｈ１／ｈ２＝０．７〜１．３の範囲内、０．８〜１．２の範囲内、０．９〜１．１の範囲内、０．９５〜１．０５の範囲内を例示できる。但しこれに限定されるものではない。ここで、ｈ１は、スタック１の種類等によっても適宜変更されるが、０．１〜２．０ミリメートルの範囲内が例示される。但しこれに限定されるものではない。

本実施形態によれば次の寸法関係が例示されるが、これに限定されるものではない。シール部６を横断する方向に沿った断面において、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。図３に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４が厚み方向に積層されて締結される直前において、第１セパレータ３の第１シール溝５の中心線Ｐ１および第２セパレータ４の第２シール溝７の中心線Ｐ２は、第１セパレータ３および第２セパレータ４の表面３ｒ，４ｔが延設されている面方向において、互いにできるだけ整合するように配置される。更に、第１セパレータ３の表面３ｒおよび第２セパレータ４の表面４ｔは互いに接触（場合によっては接近）する。このとき第２シール溝７および第１シール溝５は、シール部６を介して互いに対面する。このようにセパレータ３，４が積層されるとき、第２シール溝７の第２溝底面７ｂは、第１シール溝５に保持されているシール部６の先端部６１ｅを強圧させ、シール部６を圧潰変形させる。これによりシール部６は、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界のシール性を高める。セパレータ３，４が積層される場合、第２シール溝７および第１シール溝５がセパレータ３，４の面垂直方向から透視されるとき、第２シール溝７および第１シール溝５は互いに重複して投影される。

図２および図３は、シール部６、第１シール溝５および第７シール溝７を最短距離で横断する方向に沿って切断した断面を示している。図２に示すように、シール部６、第１シール溝５および第７シール溝７を最短距離で横断する方向において、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。Ｅ２およびＥ１は、シール部６を最短距離で横断する方向に沿った寸法を意味する。ここで、Ｅ２／Ｅ１の値は適宜設定できるが、１を越える値であり、１．１〜３．０の範囲内、殊に１．２〜１．６の範囲内、１．２〜１．４の範囲内を適宜例示できる。ただしこれに限定されるものではない。

本実施形態によれば、図２に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４が厚み方向に積層されていないとき、第１シール溝５の第１溝側面５ｆは、シール部６の基部６０の外側面６０ｆに接触または接近している。同様に、第１シール部５の第１溝側面５ｓは、シール部６の基部６０の外側面６０ｓに接触または接近している。これによりシール部６の基部６０の保持性が向上する。この場合、セパレータ３，４を積層する前において、シール部６がこれの横断方向にずれ変位することが抑えられ、所望のシール性を得るのに貢献できる。

これに対して、図３から理解できるように、第１セパレータ３および第２セパレータ４が厚み方向に積層された状態で締結されているとき、第２セパレータ４の第２シール溝７の第２溝底面７ｂによりシール部６の突出部６１の先端部６１ｅは強圧されている。これによりシール部６の突出部６１および基部６０は厚み方向に圧潰変形され、シール性を確保する。

なお本実施形態によれば、図２に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４を積層される前の状態においては、シール部６の横断面における中心線Ｐ１に対して、シール部６の形状は対称形状とされている。このため、第１セパレータ３および第２セパレータ４が積層されてシール部６が圧潰変形するとき、シール部６の変形の均衡化を図り得、シール部６に過剰な負荷が作用することが抑制される。但し、中心線Ｐ１に対してシール部６の形状は対称形状とされておらず、非対称形状とされていてもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、第１セパレータ３および第２セパレータ４が厚み方向に積層されて組み付けられるとき、第１セパレータ３および第２セパレータ４により、シール部６はこれの厚み方向に強圧される。よって第１シール部６はこれの厚み方向に圧潰変形され、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性を高めることができる。

しかし組付形態によっては、圧潰変形されたシール部６を構成する肉部分が盛り上がり、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれがある。殊に、第１セパレータ３と第２セパレータ４とがこれらの面方向（図４に示す矢印ＳＡ方向）に互いに多少ずれて組み付けられるとき、圧潰変形されたシール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれがある。この場合、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性が低下するおそれがある。さらには、シール部６の長寿命化という観点からも好ましくない。

この点本実施形態によれば、シール部６を横断する方向に沿った断面（図２，図３）において、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。このため、図３に示すように、セパレータ３，４を積層したとき、第２シール溝７において、圧潰変形したシール部６の近くに空間８５ａ，８５ｂが形成できる。シール部６に噛み込みが発生するおそれがあるとき、この空間８５ａ，８５ｂは、変形されたシール部６の盛り上がった肉部分が逃げることができる逃げ用空間として機能することができる。すなわち、圧潰変形によりシール部６の盛り上がった肉部分は、この空間８５ａ，８５ｂに進入できる。

この結果、シール部６がこれの厚み方向に過剰に圧潰変形されるときであっても、シール部６を構成する盛り上がった肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。殊に、第１セパレータ３と第２セパレータ４とがこれらの面方向（図４に示す矢印ＳＡ方向）に相対的にずれて組み付けられるときであっても、圧潰変形されたシール部６を構成する盛り上がった肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。このため第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性を高い精度で確保することができ、シール不良が抑制される。

ここで、組み付けの際、第１セパレータ３と第２セパレータ４とによってシール部６が変形を受けているとき、第２セパレータ４が第１セパレータ３に対して図４に示す矢印ＳＡ方向に相対的なずれが生じるときには、シール部６も同方向に変位せんとする。このとき、シール部６が変位する側に位置する空間８５ａの容積が増加し、逃げ空間が確保される。このため、シール部６の盛り上がった肉部分が噛み込むことが効果的に抑制される。同様に、第２セパレータ４が第１セパレータ３に対して図４に示す矢印ＳＢ方向に相対的なずれが生じるときには、シール部６も同方向に変位せんとするが、シール部６が変位する側に位置する空間８５ｂの容積が増加する。このため、シール部６の肉部分の逃げ空間が確保され、シール部６の肉部分が噛み込むことが効果的に抑制される。このためセパレータ３，４の積層組付時において、セパレータ３，４の面方向におけるずれの許容性が高まり、組付性が向上され、組付コストを低減できる。

ところで、第１セパレータ３および第２セパレータ４は、これの積層方向（矢印Ｘ方向）において互いに隣設されるものの、互いに同種、同系または類似形状をもつものである。ここで、図５から理解できるように、第１セパレータ３のうち一方の表面３ｒには第１シール溝５が形成されている。第１セパレータ３のうち他方の表面３ｔ（表面３ｒに背向する表面）には第２シール溝７が形成されている。ここで、前述したように、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。このため第１セパレータ３の表面３ｒおよび表面３ｔの識別が容易となる。このように第１セパレータ３の表裏の判別が容易となるため、組み付け過誤を抑えるのに有利となる。第２セパレータ４は第１セパレータ３と同種、同系または類似形状のものであるため、第２セパレータ４の表裏の識別についても同様である。

なお、シール部６によるシール性を高めるためには、シール部６の基部６０に対する先端部６１ｅの高さＨＷ（図２参照）をある程度確保することが好ましい。しかし、高さＨＷが高くなると、複数のセパレータ３，４を交互に積層させて形成されるセル積層体１２がこれの積層方向（矢印Ｘ方向）に嵩張ることになる。この点本実施形態によれば、セパレータ３には凹状の第１シール溝５および凹状の第２シール溝７が互いに背向するように形成されている。第２セパレータ４についても同様である。このため、シール部６の高さＨＷを確保しつつも、セル積層体１２の嵩張りが抑えられる。

なお本実施形態によれば、Ｅ２／Ｅ１の値は適宜設定できるが、１．０１〜３．０の範囲内、殊に１．０５〜２．０の範囲内、１．１〜１．４の範囲内を例示できる。但しこれに限定されるものではない。ΔＥ＝Ｅ２−Ｅ１＝０．０１〜１０ミリメートルの範囲内が好ましく、殊に０．２〜５ミリメートルの範囲内が好ましい。但しこれに限定されない。ΔＥ／（突起部６１の高さ）＝０．１〜１０が好ましく、殊に０．２〜５が好ましい。ΔＥ／（第１シール溝５の深さと第２シール溝７の深さとの合計）＝１〜１５が好ましく、殊に３〜１０が好ましい。

なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態２）
図６〜図８は実施形態２を模式的に示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図６は第１セパレータ３の平面視の概念を示す。図６に例示されているように、第１セパレータ３は、多数の配流溝１０１ａを有する発電室１０１と、発電室１０にアノードガスを供給する貫通孔状をなすアノードガス供給孔１０２と、発電室１０１から吐出されるアノードオフガスを排出させる貫通孔状をなすアノードオフガス排出孔１０３と、裏面側の別の発電室にカソードガスを供給する貫通孔状をなすカソードガス供給孔１０５と、別の発電室から吐出されるカソードオフガスを排出させる貫通孔状をなすカソードオフガス排出孔１０６と、図示しない冷媒室に冷媒を供給する貫通孔状をなす冷媒供給孔１０７と、冷媒室から吐出される冷媒を排出させる貫通孔状をなす冷媒排出孔１０８とを有する。

図６に示すように、アノードガス供給孔１０２と発電室１０１とを連通させる入口通路１０８ｉが形成されている。アノードオフガス排出孔１０３と発電室１０１とを連通させる出口通路１０８ｅが形成されている。

図６に示すように、発電室１０１、アノードガス供給孔１０２、アノードオフガス排出孔１０３、カソードガス供給孔１０５、カソードオフガス排出孔１０６、冷媒供給孔１０７、冷媒排出孔１０８の周りには、第１シール溝５およびシール部６が設けられている。

このような第１セパレータ３と第２セパレータ４とを厚み方向に積層させたスタック１を形成する。この場合においても、後述のように、圧潰変形されたシール部６を構成する盛り上がった肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。殊に、第１セパレータ３と第２セパレータ４とがこれらの面方向（図８における矢印ＳＡ，ＳＢ方向）に互いに多少ずれて組み付けられるときであっても、圧潰変形された第１シール部６を構成する盛り上がった肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。このため第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性を高い精度で確保することができる。

なお、図６に示す形態は、セパレータ概念のあくまでも例示である。このように図６はあくまでも概念図であるため、配流溝１０１ａを横向きに図示しているが、配流溝１０１ａは実際的には縦向き、Ｓ字形状またはサーペンタイン構造とされている。アノードガス供給孔１０２、アノードオフガス排出孔１０３、カソードガス供給孔１０５、カソードオフガス排出孔１０６、冷媒供給孔１０７、冷媒排出孔１０８の位置は、図６に示す形態に限定されるものではない。

さて本実施形態によれば、図７および図８に示すように、第１セパレータ３の一方の表面３ｒにおいてシール部６の外縁側に、平坦状の定寸接触部８ｆが設けられている。第１セパレータ３の他方の表面３ｔにおいても第２シール溝７の外縁側に、平坦状の定寸接触部８ｓが設けられている。

同様に、図７および図８に示すように、第２セパレータ４の一方の表面４ｒにおいてシール部６の外縁側に、平坦状の定寸接触部８ｆが設けられている。第２セパレータ４の他方の表面４ｔにおいても第２シール溝７の外縁側に、平坦状の定寸接触部８ｓが設けられている。このように定寸接触部８ｆ，８ｓは、第１セパレータ３および第２セパレータ４においてシール部６の外縁側において、互いに背向するように形成されている。

更に、図７および図８に示すように、第１セパレータ３の一方の表面３ｒにおいてシール部６の内縁側に、定寸接触部９ｆが設けられている。第１セパレータ３の他方の表面３ｔにおいてもシール部６の内縁側に、定寸接触部９ｓが設けられている。同様に、第２セパレータ４の一方の表面４ｒにおいてシール部６の内縁側に、定寸接触部９ｆが設けられている。第２セパレータ４の他方の表面４ｔにおいてもシール部６の内縁側に、定寸接触部９ｓが設けられている。このように定寸接触部９ｆ，９ｓは、第１セパレータ３および第２セパレータ４においてシール部６の内縁側において、互いに背向するように形成されている。

図８に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４が積層されるとき、定寸接触部９ｆ，９ｓは互いに直接的に当接する。且つ、定寸接触部８ｆ，８ｓは互いに直接的に当接する。このため、セパレータ３，４に広く巡らされているシール部６において、潰れ代のばらつきを低減させることができる。

具体的には、シール部６の外縁側について、第１セパレータ３および第２セパレータ４が積層されて締結されるとき、第１セパレータ３の定寸接触部８ｆは、第２セパレータ４の定寸接触部８ｓに直接的に接触する。すなわち、第１セパレータ３および第２セパレータ４の定寸接触部８ｆ，８ｓ同士は、互いに直接的に接触する。これによりシール部６の全体について、シール部６の外縁側における潰れ代のばらつきが低減され、シール性のばらつきが抑えられる。

同様に、シール部６の内縁側についても、第１セパレータ３および第２セパレータ４が積層されて締結されるとき、第１セパレータ３の定寸接触部９ｆは、第２セパレータ４の定寸接触部９ｓに直接的に接触する。すなわち、第１セパレータ３および第２セパレータ４の定寸接触部９ｆ，９ｓ同士は、互いに直接的に接触する。これによりシール部６の全体について、シール部６の内縁側における潰れ代のばらつきが低減され、シール性のばらつきが抑えられる。全体としては、シール部６のシール性を向上できる。

図７に示すように、定寸接触部９ｆ，９ｓが第１シール溝５および第２シール溝７の内縁側に形成されている。更に、定寸接触部８ｆ，８ｓが第１シール溝５および第２シール溝７の外縁側に形成されている。ここで、第１シール溝５および第２シール溝７は凹溝状をなし、セパレータ３，４の撓み性を促進させる。このようにセパレータ３，４の撓み性を高める凹溝状の第１シール溝５および第２シール溝７に隣設して定寸接触部８ｆ，８ｓ，９ｆ，９ｓが形成されている。このため、定寸接触部８ｆ，８ｓ同士の接触性を向上させることができる。更に定寸接触部９ｆ，９ｓ同士の接触性を向上させることができる。

なお、図８に示すように、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間には、膜電極接合体１１が挟まれる。膜電極接合体１１は、イオン伝導性を有する電解質膜１１０をカソード層１１１とアノード層１１２とで挟んで形成されている。

図７および図８は、アノードガス供給孔１０２をシールするシール部分を示すが、アノードオフガス排出孔１０３、カソードガス供給孔１０５、カソードオフガス排出孔１０６、冷媒供給孔１０７、冷媒排出孔１０８についても、第１シール溝５およびシール部６が設けられており、シール性が確保されている。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１〜図８を準用できる。本実施形態によれば、シール部６は第１シール溝５の第１溝底面５ｂに固着されているのではなく、第１シール溝５に嵌められて配置されている。本実施形態においても、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。圧潰変形されたシール部６を構成する盛り上がった肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態４）
図９は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図９に示すように、シール部５の横断方向において、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。更に、第２シール溝７の溝深寸法ｈ２は、第１シール溝５の溝深寸法ｈ１よりも大きく設定されている。ｈ２／ｈ１＝１．０５〜１．３の範囲内で適宜設定できる。

上記したようにＥ２＞Ｅ１であり、且つ、ｈ２＞ｈ１である。このため、シール部６を構成する肉部分が逃げ得るように第２シール溝７の溝幅方向の両端に形成される空間８５ａ，８５ｂの空間容積が確保される。従って、シール部６の変形量が大きいときであっても、シール部６を構成する盛り上がった肉部分が第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。

本実施形態では、シール部６の基部６０の表面６０ｕは、シール性を確保すべく、第１セパレータ３の表面３ｒよりも、第１シール溝５の第１溝底面６ｂから離れる方向にΔｔ突出している。このためシール部６の盛り上がり量が増加する傾向がある。この場合、シール部６の表面６０ｕ側の肉部分がセパレータ３，４の境界に噛み込むおそれがある。このような場合であっても、Ｅ２＞Ｅ１であるため、前記した空間８５ａ，８５ｂの空間容積が確保される。更にｈ２＞ｈ１であるため、前記した空間８５ａ，８５ｂの空間容積が更に確保される。従って、圧潰変形されたシール部６の基部６０の変形量が大きいときであっても、盛り上がった肉部分が第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制または回避される。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態５）
図１０は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１０に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ４が厚み方向に積層されていないとき、第１シール溝５の第１溝側面５ｆと、第１溝側面５ｆに対向するシール部６の基部６０の外側面６０ｆとの間には、隙間５２ｆが形成されている。同様に、第１シール溝５の第１溝側面５ｓと、第１溝側面５ｓに対向するシール部６の基部６０の外側面６０ｓとの間には、隙間５２ｓが形成されている。シール部６は、第１シール溝５の第１溝底面５ｂに接着材などにより固着されている。このためシール部６の両側に隙間５２ｆ，５２ｓが形成されているとしても、シール部６の保持性が高められている。

図１０に示すように、シール部６の基部６０に対面するように、基部６０の横断方向の両側には隙間５２ｆおよび隙間５２ｓが設けられている。このため、シール部６の突出部６１の変形ばかりか、シール部６の基部６０の大きな変形も期待でき、シール性を高めるのに貢献できる。

ここで、横断方向において、隙間５２ｆの隙間幅Ｗ１と隙間５２ｓの隙間幅Ｗ２とは、同程度とされている。このため、シール部６の横断方向においてシール部６の変形の均衡化を図り得る。但しＷ１＞Ｗ２とされていてもよいし、Ｗ２＞Ｗ１とされていてもよい。

本実施形態においても、シール部６を最短距離で横断する方向に沿った断面（図１０）において、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。このため、図１０から理解できるように、第２シール溝７において圧潰変形したシール部６の外側に空間８５ａ，８５ｂが隣設するように形成される。空間８５ａ，８５ｂは、変形されたシール部６の肉部分が逃げる逃げ用空間として機能できる。すなわち、シール部６の盛り上がった肉部分は、この空間８５ａ，８５ｂに進入できる。

この結果、シール部６がこれの厚み方向に圧潰変形されるときであっても、圧潰変形されたシール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。殊に、第１セパレータ３と第２セパレータ４とがこれらの面方向に互いに多少ずれて組み付けられるときであっても、圧潰変形された第１シール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。このため第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性を高い精度で確保することができる。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態６）
本実施形態は実施形態５と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１０を準用できる。本実施形態によれば、シール部６は第１シール溝５の第１溝底面５ｂに固着されているのではなく、第１シール溝５に嵌められて配置されている。本実施形態においても、圧潰変形されたシール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態７）
図１１は実施形態７を示す。本実施形態は上記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１１に示すように、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２は、第１シール溝５の溝幅寸法Ｅ１よりも大きく設定されている。このため、図１１から理解できるように、第２シール溝７において圧潰変形したシール部６の外側に空間８５ａ，８５ｂが形成できる。空間８５ａ，８５ｂは、変形されたシール部６の肉部分が逃げる逃げ用空間として機能できる。すなわち、変形されたシール部６の肉部分は、この空間８５ａ，８５ｂに進入できる。

更に図１１に示すように、第２シール溝７の横断方向において、第２シール溝７の両端には、これの溝底面７ｂよりも深さが深い窪み７ｈ，７ｉが形成されている。窪み７ｈ，７ｉは、シール部６および第２シール溝７と並走するように、シール部６の延設方向および第２シール溝７の延設方向に沿って延設されている。シール部６を横断する方向に沿った断面において、窪み７ｈにより空間８５ａの空間容積が増加される。窪み７ｉにより空間８５ｂの空間容積が増加される。このように溝底面７ｂよりも深さが深い窪み７ｈ，７ｉが形成されているため、肉部分を退避させ得る空間８５ａ，８５ｂの空間容積が確保される。従って、第２シール溝７の溝幅寸法Ｅ２の過剰増加が抑制され、ひいては、セパレータ３，４の面方向（矢印ＳＡ，ＳＢ方向）における面サイズの小型化が図られる。

このような本実施形態によれば、前記した各実施形態と同様に、シール部６がこれの厚み方向に圧潰変形されるときであっても、シール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。殊に、第１セパレータ３と第２セパレータ４とがこれらの面方向に互いに多少ずれて組み付けられるときであっても、圧潰変形された第１シール部６を構成する肉部分が、第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。このため第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界におけるシール性を高い精度で確保することができる。

本実施形態によれば、窪み７ｈ，７ｉが第２シール溝７に形成されているため、Ｅ１およびＥ２が互いに近づいたときであっても、第１シール溝５および第２シール溝７５の識別が簡便となり、つまり、セパレータ３，４の表裏の識別が容易となる。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（実施形態８）
図１２は実施形態８を示す。本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１２に示すように、シール部６の基部６０の表面６０ｕは、第１セパレータ３の表面３ｒよりも、第１シール溝５の第１溝底面６ｂから離れる方向にΔｔ突出している。このためセパレータ３，４の積層時において、シール部６の盛り上がり量が増加する傾向がある。更に基部６０は第１シール溝５の第１溝側面５ｆ，５ｓに接触しており、積層時において基部６０の盛り上がり量が更に増加する傾向がある。このような場合であっても、Ｅ２＞Ｅ１であり、且つ、ｈ２＞ｈ１であるため、前記した空間８５ａ，８５ｂの空間容積が確保される。

殊に、図１２に示すように、第２シール溝７の横断方向において、第２シール溝７の両端には、これの溝底面７ｂよりも深さが深い窪み７ｈ，７ｉが形成されている。窪み７ｈ，７ｉは、シール部６および第２シール溝７と並走するように、シール部６の延設方向および第２シール溝７の延設方向に沿って延設されている。窪み７ｈにより空間８５ａの空間容積が増加される。窪み７ｉにより空間８５ｂの空間容積が増加される。従って、圧潰変形されたシール部６の盛り上がり量が大きいときであっても、盛り上がった肉部分が第１セパレータ３と第２セパレータ４との境界に噛み込むおそれが抑制される。なお本実施形態は、燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。

（その他）スタックが固体酸化物形の燃料電池のように中温系または高温系である場合には、シール部の材質としては、変形可能な無機材料系でも良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。本発明は燃料電池のスタックを構成するセパレータのシール構造に適用しているが、これに限らず、前述したように、燃料電池システムに搭載される加湿器を構成するセパレータのシール構造に適用しても良い。この場合、図２〜図５，図７〜図１２は、加湿器のセパレータ積層構造を示す。図２〜図５，図７〜図１２に示す第１セパレータ３および第２セパレータ４は、加湿器を構成するセパレータとなる。加湿器は、第１セパレータと第２セパレータとの間に水分保持膜を挟みつつ、第１セパレータおよび第２セパレータを積層させて構成される。第１セパレータと水分保持膜の一方の表面とで加湿室が形成される。第２セパレータと水分保持膜の他方の表面とで吸湿室が形成される。水蒸気などの水分を含むガスは吸湿室で冷却され、凝縮水を生成する。水分保持膜は凝縮水を吸湿する。吸湿された凝縮水の水分は、水分保持膜を厚み方向に浸透し、加湿室に至る。従って、加湿室を流れるガスは加湿される。

上記した記載から次の技術的思想が把握される。

（付記項１）燃料電池システムに搭載される加湿器において使用される流体（カソードガスまたはカソードオフガス）が流れる流体通路の外側に形成された第１シール溝を有する第１セパレータと、流体通路をシールするために第１セパレータの第１シール溝に配置された厚み方向に圧潰変形可能なシール部と、燃料電池システムに搭載される加湿器において使用される流体（カソードガスまたはカソードオフガス）が流れる流体通路の外側に形成された第２シール溝を有すると共に第１セパレータにこれの厚み方向に積層される第２セパレータと、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されるときにおいて、第２セパレータの第２シール溝は、第１シール溝に対面すると共にシール部を圧潰変形させる加湿器シール構造。

（付記項２）付記項１において、前記シール部を横断する方向に沿った断面において、前記第２シール溝の溝幅寸法は、前記第１シール溝の溝幅寸法よりも大きく設定されている加湿器シール構造。

（付記項３）燃料電池システムに搭載されるスタックまたは加湿器において使用される流体が流れる流体通路の外側に形成された第１シール溝を有する第１セパレータと、流体通路をシールするために第１セパレータの第１シール溝に配置された厚み方向に圧潰変形可能なシール部と、燃料電池システムに搭載されるスタックまたは加湿器において使用される流体が流れる流体通路の外側に形成された第２シール溝を有すると共に第１セパレータにこれの厚み方向に積層される第２セパレータと、第１セパレータおよび第２セパレータが厚み方向に積層されるときにおいて、第２セパレータの第２シール溝は、第１シール溝に対面すると共にシール部を圧潰変形させ、前記シール部を最短距離で横断する方向に沿った断面において、前記第２シール溝の溝幅寸法は、前記第１シール溝の溝幅寸法よりも大きく設定されている燃料電池システム系セパレータに使用されるセパレータシール構造。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用、可搬用等の燃料電池システムに利用することができる。

１はスタック、１０はセル積層体、３は第１セパレータ、４は第２セパレータ、５は第１シール溝、５２ｆ，５２ｓは隙間、６はシール部、７は第２シール溝、８５ａ，８５ｂは空間、８ｆ，８ｓは定寸接触部、９ｆ，９ｓは定寸接触部を示す。

Claims (4)

1. 燃料電池システムで使用される流体が流れる流体通路をシールする位置に形成された第１シール溝を有する第１セパレータと、
   前記流体通路をシールするために前記第１セパレータの前記第１シール溝に配置された厚み方向に圧潰変形するシール部と、
   前記第１セパレータに積層され、前記第１セパレータの前記第１シール溝に対面すると共に前記シール部を圧潰変形させ得る第２シール溝を有する前記第２セパレータとを具備しており、
   前記シール部を横断する方向に沿った断面において、前記第２シール溝の溝幅寸法は、前記第１シール溝の溝幅寸法よりも大きく設定されている燃料電池シール構造。
2. 請求項１において、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータが厚み方向に積層されていないとき、あるいは、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータが厚み方向に積層されている状態のとき、前記第１シール溝の溝側面と、前記第１シール溝の溝側面に対向する前記シール部の外側面との間には、前記シール部の変形を許容する隙間が形成されている燃料電池シール構造。
3. 請求項１または２において、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータのうちの少なくとも一方は、定寸接触部を備えており、前記定寸接触部は、前記シール部の外縁および／または内縁側に形成され、且つ、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータが厚み方向に積層されているとき他方に接触してシール部の潰れ代を規定する燃料電池シール構造。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記第２シール溝の横断方向において、前記第２シール溝の両端には、これの溝底面よりも深さが深い窪みが形成されている燃料電池シール構造。

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