JP4042547B2 - 燃料電池のシール構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）に関し、とくに燃料電池のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
上記反応が正常に行われるように、燃料ガス（水素）、酸化ガス（エア）、冷媒（冷却水）は、シールされる。
図７、図８に示すように、ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ１８間、および膜１１とセパレータ１８間は接着剤３４でシールされ、セル間はガスケット３５によりシールされる。セパレータのうち反応ガスマニホールドと発電領域のガス流路とは連通ガス流路３２で接続されているが、連通流路にはシーリングプレート３３が被せられ、シーリングプレート３３と膜１１またはセパレータ１８間は接着剤３４でシールされる。
セパレータ間、および膜とセパレータ間の接着剤によるシールにおいて、シール剤が、連通ガス流路３２や、発電領域の反応ガス流路や、反応ガスマニホールドにはみ出したり、回り込んだりすると、連通ガス流路の狭小化、閉塞を生じるので、接着剤のはみ出し、回り込みは抑制されなければならない。
特開２００１−１１０４３６号公報は、セパレータに段部を設けて、接着剤の、発電領域のガス流路への入り込みを防止するシール構造を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１０４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
接着剤の塗布において、図８に示すように、塗布する接着剤３４の量が多いと、接着剤３４がはみ出し、シーリングプレート３３を回り込んで、連通ガス流路３２を閉塞するおそれがある。
それを防止するために、図７に示すように、接着剤がはみ出さないように少なめに塗布すると、セルを積層してスタック締結荷重をかけたときに、ガスケット３５の反力により、接着剤欠落部でセパレータ１８が押されモーメントを受ける。
接着剤を過不足なく塗布することは困難であり、実際には過不足のない量より若干多めに塗布することになる。
その場合、接着剤のはみ出しを防止するために、上記特許文献１に開示のように、セパレータのガスマニホールド縁部にも段部を設けると、セパレータの加工がそれだけ複雑になる。また、ガスマニホールド縁部側と発電領域側との両側に段部を設けた溝加工となり、その溝からはみ出す接着剤はシーリングプレートを押し上げ、シール性の悪化、セル積層における平面度の狂いを生じさせる。
本発明の目的は、接着剤を過不足ない量かそれより若干多めに塗布しても、接着剤がシーリングプレートを回り込んで連通ガス流路に入り込むことを防止できる、燃料電池のシール構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、セパレータのガスマニホールド縁部側に段部を設けることを必要としない、燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させることにより形成されている燃料電池のシール構造。
（２） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリング プレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
（３） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
【０００７】
上記（１）〜（３）の燃料電池のシール構造では、ガスマニホールド縁部でシーリングプレートの連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設けたので、接着剤を過不足のない量（はみ出さず、かつ、不足しない量）かそれより多く塗布して、接着剤が塗布部位からはみ出しても、接着剤は接着剤溜まりに溜まるだけで、接着剤溜まりから出てシーリングプレートを回り込み連通ガス流路に入り込んでいくことはない。
上記（１）の燃料電池のシール構造では、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
上記（２）の燃料電池のシール構造では、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、セパレータを形成する型のコーナにチャンファまたはＲ部または後退部を形成する雄形状を設けておくことにより、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。
上記（３）の燃料電池のシール構造では、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のシール構造を図１〜図５を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示しているが、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１１】
図３に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、が設けられる。
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
【００１２】
図３〜図５に示すように、燃料電池の発電領域のガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）とガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）とは、連通ガス流路３２によって、接続され、互いに連通されている。燃料電池の発電領域とは、電解質膜１１と燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が存在する領域で、発電が実行される領域である。
この連通ガス流路３２には、シーリングプレート３３が設けられている。シーリングプレート３３は、電解質膜１１および拡散層１３、１６を支持するものでもあるので、支持プレートと呼んでもよい。シーリングプレート３３の、拡散層１３、１６を受け入れる部分３３ｂは、拡散層１３、１６を受け入れない部分３３ｃに比べて厚さが薄い。シーリングプレート３３は、たとえば樹脂製であり、電気的に絶縁性を有する。
【００１３】
電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８間は、発電領域の周りで、接着剤３４により互いにシールされる。隣接するセル１９間はガスケット３５によってもシールされる。
連通ガス流路３２およびその近傍においては、シーリングプレート３３と電解質膜１１との間およびシーリングプレート３３とセパレータ１８との間が接着剤３４によりシールされる。
接着剤３４は、初期は液状であるが、加熱することにより、または所定時間（たとえば、２４時間）放置することによって固化する。
【００１４】
図３〜図５に示すように、ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部で、シーリングプレート３３の連通ガス流路３２と反対側に、塗布部位からはみ出した接着剤を溜める接着剤溜まり３７が設けられている。接着剤溜まり３７は、セパレータ１８の接着剤塗布溝の端の段部からなるものではない。
【００１５】
接着剤溜まり３７は、つぎの(i) 〜(iii) の何れかによって形成される。
(i) 接着剤溜まり３７が、シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させ（突出部３３ａ）、突出部３３ａの、連通ガス流路３２と反対側面に形成される。突出部３３ａのガスマニホールド内面からの突出量は、望ましくは１ｍｍ以下で、たとえば約０．５ｍｍである。
(ii)接着剤溜まり３７が、セパレータ１８のガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部（シーリングプレート３３から後退した後退部）を設けることにより形成される。接着剤溜まり３７のサイズは、１辺またはＲ部の半径で、望ましくは１ｍｍ以下で、たとえば約０．５ｍｍである。また、セパレータ１８の厚さは、カーボンセパレータの場合、約２ｍｍである。
(iii) 接着剤溜まり３７が、シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させるとともに、セパレータ１８のガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部（シーリングプレート３３から後退した後退部）を設けることにより形成される。この(iii) は、上記の(i) と(ii)を組み合わせたものである。
【００１６】
つぎに、本発明の燃料電池のシール構造の作用を説明する。
ガスマニホールド縁部で、シーリングプレート３３の、連通ガス流路３２と反対側に、接着剤溜まり３７を設けたので、接着剤３４を過不足のない量かそれより多く塗布して、スタック２３に締結荷重をかけた時に接着剤３４が塗布部位からはみ出しても、接着剤３４は接着剤溜まり３７に溜まるだけである。したがって、接着剤３４が接着剤溜まり３７から出てシーリングプレート３３を回り込み連通ガス流路３２に入り込んでいくことはない。これによって、塗布部位からはみ出した接着剤３４によって、連通ガス流路３２が閉塞されることを防止することができる。
【００１７】
シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
また、ガスが突出部３３ａに向かって流れてくる場合、ガスマニホールドに突出されたシーリングプレート３３の突出部３３ａが、ガスマニホールド内を流れるガスを、連通ガス流路３２により多く誘導する。
また、シーリングプレート３３をガスマニホールド３０、３１内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタック２３に組み立てる前に、マニホールド３０、３１部を通してシーリングプレート３３のマニホールド３０、３１内への突出部３３ａが見え（図６）、シーリングプレート３３がセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを、スタック組立前において、容易に確認することができる。
【００１８】
セパレータ１８のガスマニホールド縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、セパレータ１８を形成する型のコーナにチャンファまたはＲ部または後退部を形成する雄形状を設けておくことにより、セパレータ１８の成形時に自動的にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を形成できるので、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
【００１９】
シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させるとともに、セパレータ１８のガスマニホールド縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
また、ガスが突出部３３ａに向かって流れてくる場合、ガスマニホールドに突出されたシーリングプレート３３の突出部３３ａが、ガスマニホールド内を流れるガスを、連通ガス流路３２により多く誘導する。
また、シーリングプレート３３をガスマニホールド３０、３１内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタック２３に組み立てる前に、マニホールド３０、３１部を通してシーリングプレート３３のマニホールド３０、３１内への突出部３３ａが見え（図６）、シーリングプレート３３がセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを、スタック組立前において、容易に確認することができる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、ガスマニホールド縁部でシーリングプレートの連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設けたので、接着剤を過不足のない量かそれより多く塗布して、接着剤が塗布部位からはみ出しても、接着剤は接着剤溜まりに溜まるだけであり、接着剤溜まりから出てシーリングプレートを回り込み連通ガス流路に入り込んでいくことを防止できる。
請求項１の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックを組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
請求項２の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。
請求項３の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る燃料電池のシール構造が適用される燃料電池スタックの側面図である。
【図２】 図１の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図３】 図１のうちセルの正面図である。
【図４】 図１の燃料電池のシール構造の断面図（図３のＡ−Ａ線断面図）である。
【図５】 図４の燃料電池のシール構造の分解斜視図である。
【図６】 ガスマニホールドとガスマニホールド内に突出するシーリングプレート突出部の正面図である。
【図７】 従来の燃料電池のシール構造の、接着剤が不足する場合の断面図である。
【図８】 従来の燃料電池のシール構造の、接着剤が多過ぎる場合の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ チャンファ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
２９ａ 入側
２９ｂ 出側
３０ 燃料ガスマニホールド
３０ａ 入側
３０ｂ 出側
３１ 酸化ガスマニホールド
３１ａ 入側
３１ｂ 出側
３２ 連通ガス流路
３３ シーリングプレート（支持プレート）
３３ａ 突出部
３４ 接着剤
３５ ガスケット
３７ 接着剤溜まり
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）に関し、とくに燃料電池のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
上記反応が正常に行われるように、燃料ガス（水素）、酸化ガス（エア）、冷媒（冷却水）は、シールされる。
図７、図８に示すように、ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ１８間、および膜１１とセパレータ１８間は接着剤３４でシールされ、セル間はガスケット３５によりシールされる。セパレータのうち反応ガスマニホールドと発電領域のガス流路とは連通ガス流路３２で接続されているが、連通流路にはシーリングプレート３３が被せられ、シーリングプレート３３と膜１１またはセパレータ１８間は接着剤３４でシールされる。
セパレータ間、および膜とセパレータ間の接着剤によるシールにおいて、シール剤が、連通ガス流路３２や、発電領域の反応ガス流路や、反応ガスマニホールドにはみ出したり、回り込んだりすると、連通ガス流路の狭小化、閉塞を生じるので、接着剤のはみ出し、回り込みは抑制されなければならない。
特開２００１−１１０４３６号公報は、セパレータに段部を設けて、接着剤の、発電領域のガス流路への入り込みを防止するシール構造を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１０４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
接着剤の塗布において、図８に示すように、塗布する接着剤３４の量が多いと、接着剤３４がはみ出し、シーリングプレート３３を回り込んで、連通ガス流路３２を閉塞するおそれがある。
それを防止するために、図７に示すように、接着剤がはみ出さないように少なめに塗布すると、セルを積層してスタック締結荷重をかけたときに、ガスケット３５の反力により、接着剤欠落部でセパレータ１８が押されモーメントを受ける。
接着剤を過不足なく塗布することは困難であり、実際には過不足のない量より若干多めに塗布することになる。
その場合、接着剤のはみ出しを防止するために、上記特許文献１に開示のように、セパレータのガスマニホールド縁部にも段部を設けると、セパレータの加工がそれだけ複雑になる。また、ガスマニホールド縁部側と発電領域側との両側に段部を設けた溝加工となり、その溝からはみ出す接着剤はシーリングプレートを押し上げ、シール性の悪化、セル積層における平面度の狂いを生じさせる。
本発明の目的は、接着剤を過不足ない量かそれより若干多めに塗布しても、接着剤がシーリングプレートを回り込んで連通ガス流路に入り込むことを防止できる、燃料電池のシール構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、セパレータのガスマニホールド縁部側に段部を設けることを必要としない、燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させることにより形成されている燃料電池のシール構造。
（２） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリング プレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
（３） 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
【０００７】
上記（１）〜（３）の燃料電池のシール構造では、ガスマニホールド縁部でシーリングプレートの連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設けたので、接着剤を過不足のない量（はみ出さず、かつ、不足しない量）かそれより多く塗布して、接着剤が塗布部位からはみ出しても、接着剤は接着剤溜まりに溜まるだけで、接着剤溜まりから出てシーリングプレートを回り込み連通ガス流路に入り込んでいくことはない。
上記（１）の燃料電池のシール構造では、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
上記（２）の燃料電池のシール構造では、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、セパレータを形成する型のコーナにチャンファまたはＲ部または後退部を形成する雄形状を設けておくことにより、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。
上記（３）の燃料電池のシール構造では、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のシール構造を図１〜図５を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示しているが、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１１】
図３に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、が設けられる。
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
【００１２】
図３〜図５に示すように、燃料電池の発電領域のガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）とガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）とは、連通ガス流路３２によって、接続され、互いに連通されている。燃料電池の発電領域とは、電解質膜１１と燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が存在する領域で、発電が実行される領域である。
この連通ガス流路３２には、シーリングプレート３３が設けられている。シーリングプレート３３は、電解質膜１１および拡散層１３、１６を支持するものでもあるので、支持プレートと呼んでもよい。シーリングプレート３３の、拡散層１３、１６を受け入れる部分３３ｂは、拡散層１３、１６を受け入れない部分３３ｃに比べて厚さが薄い。シーリングプレート３３は、たとえば樹脂製であり、電気的に絶縁性を有する。
【００１３】
電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８間は、発電領域の周りで、接着剤３４により互いにシールされる。隣接するセル１９間はガスケット３５によってもシールされる。
連通ガス流路３２およびその近傍においては、シーリングプレート３３と電解質膜１１との間およびシーリングプレート３３とセパレータ１８との間が接着剤３４によりシールされる。
接着剤３４は、初期は液状であるが、加熱することにより、または所定時間（たとえば、２４時間）放置することによって固化する。
【００１４】
図３〜図５に示すように、ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部で、シーリングプレート３３の連通ガス流路３２と反対側に、塗布部位からはみ出した接着剤を溜める接着剤溜まり３７が設けられている。接着剤溜まり３７は、セパレータ１８の接着剤塗布溝の端の段部からなるものではない。
【００１５】
接着剤溜まり３７は、つぎの(i) 〜(iii) の何れかによって形成される。
(i) 接着剤溜まり３７が、シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させ（突出部３３ａ）、突出部３３ａの、連通ガス流路３２と反対側面に形成される。突出部３３ａのガスマニホールド内面からの突出量は、望ましくは１ｍｍ以下で、たとえば約０．５ｍｍである。
(ii)接着剤溜まり３７が、セパレータ１８のガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部（シーリングプレート３３から後退した後退部）を設けることにより形成される。接着剤溜まり３７のサイズは、１辺またはＲ部の半径で、望ましくは１ｍｍ以下で、たとえば約０．５ｍｍである。また、セパレータ１８の厚さは、カーボンセパレータの場合、約２ｍｍである。
(iii) 接着剤溜まり３７が、シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させるとともに、セパレータ１８のガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）の縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部（シーリングプレート３３から後退した後退部）を設けることにより形成される。この(iii) は、上記の(i) と(ii)を組み合わせたものである。
【００１６】
つぎに、本発明の燃料電池のシール構造の作用を説明する。
ガスマニホールド縁部で、シーリングプレート３３の、連通ガス流路３２と反対側に、接着剤溜まり３７を設けたので、接着剤３４を過不足のない量かそれより多く塗布して、スタック２３に締結荷重をかけた時に接着剤３４が塗布部位からはみ出しても、接着剤３４は接着剤溜まり３７に溜まるだけである。したがって、接着剤３４が接着剤溜まり３７から出てシーリングプレート３３を回り込み連通ガス流路３２に入り込んでいくことはない。これによって、塗布部位からはみ出した接着剤３４によって、連通ガス流路３２が閉塞されることを防止することができる。
【００１７】
シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
また、ガスが突出部３３ａに向かって流れてくる場合、ガスマニホールドに突出されたシーリングプレート３３の突出部３３ａが、ガスマニホールド内を流れるガスを、連通ガス流路３２により多く誘導する。
また、シーリングプレート３３をガスマニホールド３０、３１内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタック２３に組み立てる前に、マニホールド３０、３１部を通してシーリングプレート３３のマニホールド３０、３１内への突出部３３ａが見え（図６）、シーリングプレート３３がセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを、スタック組立前において、容易に確認することができる。
【００１８】
セパレータ１８のガスマニホールド縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、セパレータ１８を形成する型のコーナにチャンファまたはＲ部または後退部を形成する雄形状を設けておくことにより、セパレータ１８の成形時に自動的にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を形成できるので、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
【００１９】
シーリングプレート３３をガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）内に突出させるとともに、セパレータ１８のガスマニホールド縁部の角部にチャンファ１８ａまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まり３７が形成されている場合は、接着剤溜まり３７の形成において、セパレータ１８に特別な加工が必要でない。
また、ガスが突出部３３ａに向かって流れてくる場合、ガスマニホールドに突出されたシーリングプレート３３の突出部３３ａが、ガスマニホールド内を流れるガスを、連通ガス流路３２により多く誘導する。
また、シーリングプレート３３をガスマニホールド３０、３１内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタック２３に組み立てる前に、マニホールド３０、３１部を通してシーリングプレート３３のマニホールド３０、３１内への突出部３３ａが見え（図６）、シーリングプレート３３がセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを、スタック組立前において、容易に確認することができる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、ガスマニホールド縁部でシーリングプレートの連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設けたので、接着剤を過不足のない量かそれより多く塗布して、接着剤が塗布部位からはみ出しても、接着剤は接着剤溜まりに溜まるだけであり、接着剤溜まりから出てシーリングプレートを回り込み連通ガス流路に入り込んでいくことを防止できる。
請求項１の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックを組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
請求項２の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。
請求項３の燃料電池の燃料電池のシール構造によれば、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータのガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより、接着剤溜まりが形成されているので、接着剤溜まりの形成において、セパレータに特別な加工が必要でない。また、シーリングプレートをガスマニホールド内に突出させたので、セルまたはモジュールの段階で、スタックに組み立てる前に、マニホールド部からシーリングプレートのマニホールド内への突出部が見え、シーリングプレートがセルまたはモジュールに組み付けられているかどうかを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る燃料電池のシール構造が適用される燃料電池スタックの側面図である。
【図２】 図１の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図３】 図１のうちセルの正面図である。
【図４】 図１の燃料電池のシール構造の断面図（図３のＡ−Ａ線断面図）である。
【図５】 図４の燃料電池のシール構造の分解斜視図である。
【図６】 ガスマニホールドとガスマニホールド内に突出するシーリングプレート突出部の正面図である。
【図７】 従来の燃料電池のシール構造の、接着剤が不足する場合の断面図である。
【図８】 従来の燃料電池のシール構造の、接着剤が多過ぎる場合の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ チャンファ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
２９ａ 入側
２９ｂ 出側
３０ 燃料ガスマニホールド
３０ａ 入側
３０ｂ 出側
３１ 酸化ガスマニホールド
３１ａ 入側
３１ｂ 出側
３２ 連通ガス流路
３３ シーリングプレート（支持プレート）
３３ａ 突出部
３４ 接着剤
３５ ガスケット
３７ 接着剤溜まり
Claims (3)
- 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させることにより形成されている燃料電池のシール構造。
- 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
- 燃料電池の発電領域のガス流路とガスマニホールドとを接続する連通ガス流路にシーリングプレートを設け、該シーリングプレートと電解質膜との間および該シーリングプレートとセパレータとの間を接着剤によりシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスマニホールド縁部で前記シーリングプレートの前記連通ガス流路と反対側に、接着剤溜まりを設け、前記接着剤溜まりが、前記シーリングプレートを前記ガスマニホールド内に突出させるとともに、セパレータの前記ガスマニホールド縁部の角部にチャンファまたはＲ部または後退部を設けることにより形成されている燃料電池のシール構造。
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