JP4109570B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、少なくとも積層方向に貫通する反応ガス入口用連通孔および反応ガス出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。例えば、特許文献１のシール部材では、図９に示すように、合成ゴム材や合成樹脂材からなる硬度７０゜〜９０°の高硬度弾性体をベースガスケット１とし、このベースガスケット１の圧縮面に合成ゴム材からなる硬度３０゜〜５０°の低硬度ガスケット２を配置して構成されている。
【０００５】
ところが、上記の特許文献１では、シール部材をセパレータ間に挟んで組み付けるため、組み付け工数が増大して作業性が低下するとともに、前記シール部材の位置決めが相当に困難である。しかも、シールの両面でシール部材が必要とされるため、構成が複雑化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献２のシール一体型セパレータの製造方法では、電極反応面または連通孔の外側を囲むように配設されるシール材が、燃料電池用セパレータ本体の両面に一体化される技術が開示されている。
【０００７】
この特許文献２では、セパレータ本体の両面に該セパレータ本体とは別体のシール材を配設したり、シール材を塗布したりする場合に比べて、シール材を高精度に位置決めすることができるとともに、組み付け工数が大幅に削減されるという効果がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３３２２７６号公報（段落［０００６］、図１）
【特許文献２】
特開２００２−２３７３１７号公報（段落［００１２］、図６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シール材は、一般的に先端部が先細りとなる山形形状（所謂、リップ形状）に構成されている場合が多い。このため、例えば、特許文献２のようにシール材がセパレータ本体に一体化されていても、特に、車載用燃料電池を構成する際等に、シール性が低下するおそれがある。
【００１０】
具体的には、走行時の振動や急停止または急発進時の衝撃等によって、シール材の先端部の位置がずれてしまい、良好な接触面積を確保することができずに所望のシール性を維持することが困難になる場合がある。特に、金属セパレータが使用される際には、この金属セパレータの表面に変形、反り、うねり等が惹起し易い。しかしながら、シール材の先端部は、金属セパレータの表面変化に良好に追従することができず、シール機能に必要なセパレータ表面とのシール面圧を確保することができないという問題がある。
【００１１】
しかも、複数の燃料電池を積層してスタックを構成する際に、シール材の先端部にずれが生じ易い。これにより、シール材の先端部の倒れ、面圧の低下、接触面接の低下等が惹起し、所望のシール性を維持することが極めて困難となってしまう。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材とセパレータとのシール性を確実に維持することができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１および２に係る燃料電池では、セパレータには、少なくとも電極または連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、前記本体基部の先端に一体的に設けられる複数の突起部とを備えている。
【００１４】
このように、セパレータにシール部材が一体化されるため、シールが確実に遂行されて一方の面のみをシールするだけでよい。従って、セパレータの両面にシール部材を配設する構成に比べ、組み付け作業性および位置決め性が有効に向上する。
【００１５】
さらに、シール部材は、本体基部の先端に複数の突起部が設けられており、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。従って、特に金属セパレータに特有の現象、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対しても、良好なシール性能を発揮することが可能になる。また、積層されている各発電セルのずれに対する強度が向上し、前記発電セル同士を確実に保持することができる。
【００１６】
その上、各突起部が容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質・電極構造体等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらに、本体基部は、断面台形状に構成されており、バネ定数が大きくなってシール部材自体の強度（タフネス）を向上させることができる。これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池を積層してスタック化を図る際に、構造体としての強度を確保し、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。
【００１８】
さらにまた、シール部材の先端部は、複数の突起部がシール部位に圧接した状態で、本体基部と一体的に前記シール部位の面方向（横方向）に追従することが可能になる。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池では、セパレータには、少なくとも電極または連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、前記本体基部の先端に所定の曲率を有して一体的に設けられるとともに、該本体基部よりも軟質な複数の円弧状先端部とを備えている。
【００２０】
このため、シール部材は、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、円弧状先端部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追随してシール性が低下することを阻止するとともに、前記シール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することが可能になる。
【００２１】
さらに、本体基部によりシール部材自体の強度を向上させることができるとともに、振動や衝撃等が作用する際には前記本体基部が潰れて積層されている発電セル間に隙間が発生することを阻止可能になる。
【００２２】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、セパレータは波板状の金属プレートで構成されるため、前記セパレータ自体の薄肉化が容易に遂行される。
【００２３】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、円弧状先端部には、複数の突起部が設けられており、シール性の向上等が確実に図られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０を積層する燃料電池スタック１２の要部断面説明図である。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている燃料電池１０には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６が、第１および第２金属セパレータ１８、２０に挟持されて構成される。第１および第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定されている。なお、第１および第２金属セパレータ１８、２０に代替して、カーボン製のセパレータを使用してもよい。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口用連通孔）３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（冷却媒体出口用連通孔）３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口用連通孔）３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口用連通孔）３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（冷却媒体入口用連通孔）３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口用連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００３０】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００３１】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。図１および図２に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００３２】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００３３】
第１金属セパレータ１８の面１８ａには、カソード側電極４０を覆って、すなわち、酸化剤ガス流路４２、酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを覆って、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が使用され、硬度が３０゜〜６０゜に設定される。
【００３４】
第１シール部材５０は、酸化剤ガス流路４２から冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを遮断するためのシール部５２ａ、５２ｂと、前記酸化剤ガス流路４２から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部５４ａ、５４ｂとを一体的、あるいは個別に設けている。
【００３５】
図２および図３に示すように、第１シール部材５０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる複数の、例えば、２つの突起部６０ａ、６０ｂとを備える。なお、本体基部５８は、成形時に微小な型抜き勾配を設けてもよい。
【００３６】
本体基部５８は、図３に示すように、衝撃吸収等に必要な所望のバネ定数を確保するために高さＨ１が設定される一方、突起部６０ａ、６０ｂは、シール部位の線圧（シール線圧）が急激に変化することがなく、しかも前記突起部６０ａ、６０ｂ自体の強度を維持するために高さＨ２が設定される。本体基部５８の境界部位の応力集中を防ぐために、前記本体基部５８の曲率半径Ｒ１が０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００３７】
図１および図２に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体流路４６、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを覆って、第２シール部材６２が一体化される。この第２シール部材６２には、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するためのシール部６４ａ、６４ｂと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部６６ａ、６６ｂとが一体的、あるいは個別に設けられる。第２シール部材６２は、断面矩形状に構成されている。
【００３８】
第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４６、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを覆って、第３シール部材６８が一体化される。この第３シール部材６８には、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するためのシール部７０ａ、７０ｂと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部７２ａ、７２ｂとが設けられている。
【００３９】
この第３シール部材６８は、上記の第１シール部材５０と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
第２金属セパレータ２０の面２０ａには、アノード側電極３８を覆って、すなわち、燃料ガス流路４４、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを覆って、第４シール部材７４が一体化される。この第４シール部材７４には、燃料ガス流路４４から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮蔽するためのシール部７６ａ、７６ｂと、前記燃料ガス流路４４から冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを遮断するためのシール部７８ａ、７８ｂとが設けられている。この第４シール部材７４は、上記の第２シール部材６２と同様に、断面矩形状に構成される。
【００４１】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４２】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４３】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３８に供給される。
【００４４】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４５】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４６】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、第１シール部材５０が第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されるとともに、前記第１シール部材５０は、図３に示すように、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる突起部６０ａ、６０ｂとを備えている。
【００４８】
従って、第１シール部材５０は、従来のリップ形状のものに比べてシール部位（固体高分子電解質膜３６）との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部６０ａ、６０ｂは、比較的変形し易く（図４中、二点鎖線参照）、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。
【００４９】
従って、特に第１および第２金属セパレータ１８、２０に特有の現象、例えば、燃料電池１０の内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対して、良好なシール性能を発揮することが可能になる。
【００５０】
その上、各突起部６０ａ、６０ｂが容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質膜・電極構造体１６等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
さらに、本体基部５８は、断面台形状に構成されており、第１シール部材５０自体の強度（タフネス）を向上させることができる。しかも、第１シール部材５０の各突起部６０ａ、６０ｂは、シール部位に圧接した状態で、本体基部５８を介して前記シール部位と一体的に該シール部位の面方向に追従する。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。
【００５２】
これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池１０を積層してスタック化を図る際に、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、走行時の振動や急停止または急発進時の衝撃等を確実に吸収することができる。従って、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
なお、第３シール部材６８は、上記の第１シール部材５０と同様の効果を有することができ、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
次いで、従来のリップ形状のシール部材３（図５参照）を用いた場合と、第１の実施形態を用いた場合とにおいて、シール性を比較する実験を行った。このシール部材３は、先細り形状を有しており、その円弧状先端部４の曲率半径Ｒ３が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍに設定された。
【００５５】
そこで、シール部材３が組み込まれた燃料電池（以下、比較例という）と、第１の実施形態に係る燃料電池１０（以下、実施例という）とを用意した。そして、変位量とシール線圧との関係を検出したところ、図６に示す結果が得られた。なお、シール線圧とは、シールの単位長さ当たりに加わる荷重をいう。
【００５６】
これにより、比較例では、シール部材３自体が変形し易いため、シール線圧（シール面圧）の低下が顕著であったのに対して、実施例では、圧縮率の上限値と下限値との間の範囲（高さＨ２の範囲）における所望のシール性を維持することができた。さらに、実施例では、適正なシール面圧が得られ、電極面内の面圧分布が適正になる一方、圧縮率の上限値を超える（高さＨ１の範囲）と、この実施例のバネ定数が向上し、比較例のシール部材３が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を確保することが可能になった。
【００５７】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材８０の断面説明図である。
【００５８】
シール部材８０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる複数の、例えば、３つの突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃとを備える。
【００５９】
本体基部５８は、衝撃吸収等に必要な所望のバネ定数を確保するために高さＨ１が設定される一方、突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃは、シール部位の線圧が急激に変化することがなく、しかも前記突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃ自体の強度を維持するために高さＨ２が設定される。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃは、シール部位との接触面積を有効に確保することができるとともに、前記シール部位の高さ変動に追従して所望のシール性を維持することが可能になる。しかも、本体基部５８は、シール部材８０自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材９０の断面説明図である。
【００６２】
シール部材９０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部９２と、前記本体基部９２の先端に所定の曲率を有して一体的に設けられるとともに、該本体基部９２よりも軟質な円弧状先端部９４とを備える。具体的には、円弧状先端部９４は、本体基部９２の構成材料よりも低硬度の材料を混合した複合材料で構成されている。
【００６３】
円弧状先端部９４の曲率半径Ｒ２は、１．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、シール部材９０のアスペクト比、すなわち、本体基部９２の幅寸法Ｗと前記円弧状先端部９４までの高さ寸法Ｔとは、Ｔ／Ｗ≦１．５の関係に設定される。本体基部９２の高さＨ１が設定される一方、円弧状先端部９４の高さＨ２が設定される。
【００６４】
このように構成される第３の実施形態では、円弧状先端部９４がシール部位との接触面積を有効に確保することができるとともに、前記円弧状先端部９４が本体基部９２よりも軟質であるために、該円弧状先端部９４が前記シール部位の高さ変動に追従して所望のシール性を維持することが可能になる。しかも、本体基部９２は、シール部材９０自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができ、上記の第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、円弧状先端部９４に、複数の突起部（図示せず）を設けてもよい。これにより、第３の実施形態では、シール部材９０のシール性が一層向上する等の効果がある。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、シール部材は、本体基部の先端に複数の突起部が設けられており、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。従って、特に金属セパレータに特有の現象、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対しても、良好なシール性能を発揮することが可能になる。また、積層されている各発電セルのずれに対する強度が向上し、前記発電セル同士を確実に保持することができる。
【００６７】
その上、各突起部が容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質・電極構造体等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になる。
【００６８】
さらに、本体基部は、断面台形状に構成されており、シール部材自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができる。これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池を積層してスタック化を図る際に、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。
【００６９】
さらにまた、シール部材の先端部は、複数の突起部がシール部位に圧接した状態で、本体基部と一体的に前記シール部位の面方向（横方向）に追従することが可能になる。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図４】前記シール部材の動作説明図である。
【図５】比較例であるリップ形状のシール部材の一部断面説明図である。
【図６】比較例と実施例とにおける変位量とシール線圧との関係を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図９】特許文献１に係るシール部材の断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５０、６２、６８、７４、８０、９０…シール部材
５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ、７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ…シール部
５８、９２…本体基部 ６０ａ、６０ｂ、８２ａ〜８２ｃ…突起部
９４…円弧状先端部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、少なくとも積層方向に貫通する反応ガス入口用連通孔および反応ガス出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。例えば、特許文献１のシール部材では、図９に示すように、合成ゴム材や合成樹脂材からなる硬度７０゜〜９０°の高硬度弾性体をベースガスケット１とし、このベースガスケット１の圧縮面に合成ゴム材からなる硬度３０゜〜５０°の低硬度ガスケット２を配置して構成されている。
【０００５】
ところが、上記の特許文献１では、シール部材をセパレータ間に挟んで組み付けるため、組み付け工数が増大して作業性が低下するとともに、前記シール部材の位置決めが相当に困難である。しかも、シールの両面でシール部材が必要とされるため、構成が複雑化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献２のシール一体型セパレータの製造方法では、電極反応面または連通孔の外側を囲むように配設されるシール材が、燃料電池用セパレータ本体の両面に一体化される技術が開示されている。
【０００７】
この特許文献２では、セパレータ本体の両面に該セパレータ本体とは別体のシール材を配設したり、シール材を塗布したりする場合に比べて、シール材を高精度に位置決めすることができるとともに、組み付け工数が大幅に削減されるという効果がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３３２２７６号公報（段落［０００６］、図１）
【特許文献２】
特開２００２−２３７３１７号公報（段落［００１２］、図６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シール材は、一般的に先端部が先細りとなる山形形状（所謂、リップ形状）に構成されている場合が多い。このため、例えば、特許文献２のようにシール材がセパレータ本体に一体化されていても、特に、車載用燃料電池を構成する際等に、シール性が低下するおそれがある。
【００１０】
具体的には、走行時の振動や急停止または急発進時の衝撃等によって、シール材の先端部の位置がずれてしまい、良好な接触面積を確保することができずに所望のシール性を維持することが困難になる場合がある。特に、金属セパレータが使用される際には、この金属セパレータの表面に変形、反り、うねり等が惹起し易い。しかしながら、シール材の先端部は、金属セパレータの表面変化に良好に追従することができず、シール機能に必要なセパレータ表面とのシール面圧を確保することができないという問題がある。
【００１１】
しかも、複数の燃料電池を積層してスタックを構成する際に、シール材の先端部にずれが生じ易い。これにより、シール材の先端部の倒れ、面圧の低下、接触面接の低下等が惹起し、所望のシール性を維持することが極めて困難となってしまう。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材とセパレータとのシール性を確実に維持することができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１および２に係る燃料電池では、セパレータには、少なくとも電極または連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、前記本体基部の先端に一体的に設けられる複数の突起部とを備えている。
【００１４】
このように、セパレータにシール部材が一体化されるため、シールが確実に遂行されて一方の面のみをシールするだけでよい。従って、セパレータの両面にシール部材を配設する構成に比べ、組み付け作業性および位置決め性が有効に向上する。
【００１５】
さらに、シール部材は、本体基部の先端に複数の突起部が設けられており、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。従って、特に金属セパレータに特有の現象、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対しても、良好なシール性能を発揮することが可能になる。また、積層されている各発電セルのずれに対する強度が向上し、前記発電セル同士を確実に保持することができる。
【００１６】
その上、各突起部が容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質・電極構造体等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらに、本体基部は、断面台形状に構成されており、バネ定数が大きくなってシール部材自体の強度（タフネス）を向上させることができる。これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池を積層してスタック化を図る際に、構造体としての強度を確保し、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。
【００１８】
さらにまた、シール部材の先端部は、複数の突起部がシール部位に圧接した状態で、本体基部と一体的に前記シール部位の面方向（横方向）に追従することが可能になる。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池では、セパレータには、少なくとも電極または連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、前記本体基部の先端に所定の曲率を有して一体的に設けられるとともに、該本体基部よりも軟質な複数の円弧状先端部とを備えている。
【００２０】
このため、シール部材は、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、円弧状先端部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追随してシール性が低下することを阻止するとともに、前記シール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することが可能になる。
【００２１】
さらに、本体基部によりシール部材自体の強度を向上させることができるとともに、振動や衝撃等が作用する際には前記本体基部が潰れて積層されている発電セル間に隙間が発生することを阻止可能になる。
【００２２】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、セパレータは波板状の金属プレートで構成されるため、前記セパレータ自体の薄肉化が容易に遂行される。
【００２３】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、円弧状先端部には、複数の突起部が設けられており、シール性の向上等が確実に図られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０を積層する燃料電池スタック１２の要部断面説明図である。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている燃料電池１０には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６が、第１および第２金属セパレータ１８、２０に挟持されて構成される。第１および第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定されている。なお、第１および第２金属セパレータ１８、２０に代替して、カーボン製のセパレータを使用してもよい。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口用連通孔）３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（冷却媒体出口用連通孔）３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口用連通孔）３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口用連通孔）３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（冷却媒体入口用連通孔）３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口用連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００３０】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００３１】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。図１および図２に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００３２】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００３３】
第１金属セパレータ１８の面１８ａには、カソード側電極４０を覆って、すなわち、酸化剤ガス流路４２、酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを覆って、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が使用され、硬度が３０゜〜６０゜に設定される。
【００３４】
第１シール部材５０は、酸化剤ガス流路４２から冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを遮断するためのシール部５２ａ、５２ｂと、前記酸化剤ガス流路４２から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部５４ａ、５４ｂとを一体的、あるいは個別に設けている。
【００３５】
図２および図３に示すように、第１シール部材５０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる複数の、例えば、２つの突起部６０ａ、６０ｂとを備える。なお、本体基部５８は、成形時に微小な型抜き勾配を設けてもよい。
【００３６】
本体基部５８は、図３に示すように、衝撃吸収等に必要な所望のバネ定数を確保するために高さＨ１が設定される一方、突起部６０ａ、６０ｂは、シール部位の線圧（シール線圧）が急激に変化することがなく、しかも前記突起部６０ａ、６０ｂ自体の強度を維持するために高さＨ２が設定される。本体基部５８の境界部位の応力集中を防ぐために、前記本体基部５８の曲率半径Ｒ１が０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００３７】
図１および図２に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体流路４６、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを覆って、第２シール部材６２が一体化される。この第２シール部材６２には、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するためのシール部６４ａ、６４ｂと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部６６ａ、６６ｂとが一体的、あるいは個別に設けられる。第２シール部材６２は、断面矩形状に構成されている。
【００３８】
第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４６、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを覆って、第３シール部材６８が一体化される。この第３シール部材６８には、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するためのシール部７０ａ、７０ｂと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するためのシール部７２ａ、７２ｂとが設けられている。
【００３９】
この第３シール部材６８は、上記の第１シール部材５０と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
第２金属セパレータ２０の面２０ａには、アノード側電極３８を覆って、すなわち、燃料ガス流路４４、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを覆って、第４シール部材７４が一体化される。この第４シール部材７４には、燃料ガス流路４４から酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮蔽するためのシール部７６ａ、７６ｂと、前記燃料ガス流路４４から冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを遮断するためのシール部７８ａ、７８ｂとが設けられている。この第４シール部材７４は、上記の第２シール部材６２と同様に、断面矩形状に構成される。
【００４１】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４２】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４３】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３８に供給される。
【００４４】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４５】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４６】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、第１シール部材５０が第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されるとともに、前記第１シール部材５０は、図３に示すように、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる突起部６０ａ、６０ｂとを備えている。
【００４８】
従って、第１シール部材５０は、従来のリップ形状のものに比べてシール部位（固体高分子電解質膜３６）との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部６０ａ、６０ｂは、比較的変形し易く（図４中、二点鎖線参照）、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。
【００４９】
従って、特に第１および第２金属セパレータ１８、２０に特有の現象、例えば、燃料電池１０の内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対して、良好なシール性能を発揮することが可能になる。
【００５０】
その上、各突起部６０ａ、６０ｂが容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質膜・電極構造体１６等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
さらに、本体基部５８は、断面台形状に構成されており、第１シール部材５０自体の強度（タフネス）を向上させることができる。しかも、第１シール部材５０の各突起部６０ａ、６０ｂは、シール部位に圧接した状態で、本体基部５８を介して前記シール部位と一体的に該シール部位の面方向に追従する。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。
【００５２】
これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池１０を積層してスタック化を図る際に、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、走行時の振動や急停止または急発進時の衝撃等を確実に吸収することができる。従って、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
なお、第３シール部材６８は、上記の第１シール部材５０と同様の効果を有することができ、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
次いで、従来のリップ形状のシール部材３（図５参照）を用いた場合と、第１の実施形態を用いた場合とにおいて、シール性を比較する実験を行った。このシール部材３は、先細り形状を有しており、その円弧状先端部４の曲率半径Ｒ３が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍに設定された。
【００５５】
そこで、シール部材３が組み込まれた燃料電池（以下、比較例という）と、第１の実施形態に係る燃料電池１０（以下、実施例という）とを用意した。そして、変位量とシール線圧との関係を検出したところ、図６に示す結果が得られた。なお、シール線圧とは、シールの単位長さ当たりに加わる荷重をいう。
【００５６】
これにより、比較例では、シール部材３自体が変形し易いため、シール線圧（シール面圧）の低下が顕著であったのに対して、実施例では、圧縮率の上限値と下限値との間の範囲（高さＨ２の範囲）における所望のシール性を維持することができた。さらに、実施例では、適正なシール面圧が得られ、電極面内の面圧分布が適正になる一方、圧縮率の上限値を超える（高さＨ１の範囲）と、この実施例のバネ定数が向上し、比較例のシール部材３が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を確保することが可能になった。
【００５７】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材８０の断面説明図である。
【００５８】
シール部材８０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部５８と、前記本体基部５８の先端に一体的に設けられる複数の、例えば、３つの突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃとを備える。
【００５９】
本体基部５８は、衝撃吸収等に必要な所望のバネ定数を確保するために高さＨ１が設定される一方、突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃは、シール部位の線圧が急激に変化することがなく、しかも前記突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃ自体の強度を維持するために高さＨ２が設定される。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、突起部８２ａ、８２ｂおよび８２ｃは、シール部位との接触面積を有効に確保することができるとともに、前記シール部位の高さ変動に追従して所望のシール性を維持することが可能になる。しかも、本体基部５８は、シール部材８０自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材９０の断面説明図である。
【００６２】
シール部材９０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａに一体化されており、断面台形状を有する本体基部９２と、前記本体基部９２の先端に所定の曲率を有して一体的に設けられるとともに、該本体基部９２よりも軟質な円弧状先端部９４とを備える。具体的には、円弧状先端部９４は、本体基部９２の構成材料よりも低硬度の材料を混合した複合材料で構成されている。
【００６３】
円弧状先端部９４の曲率半径Ｒ２は、１．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、シール部材９０のアスペクト比、すなわち、本体基部９２の幅寸法Ｗと前記円弧状先端部９４までの高さ寸法Ｔとは、Ｔ／Ｗ≦１．５の関係に設定される。本体基部９２の高さＨ１が設定される一方、円弧状先端部９４の高さＨ２が設定される。
【００６４】
このように構成される第３の実施形態では、円弧状先端部９４がシール部位との接触面積を有効に確保することができるとともに、前記円弧状先端部９４が本体基部９２よりも軟質であるために、該円弧状先端部９４が前記シール部位の高さ変動に追従して所望のシール性を維持することが可能になる。しかも、本体基部９２は、シール部材９０自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができ、上記の第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、円弧状先端部９４に、複数の突起部（図示せず）を設けてもよい。これにより、第３の実施形態では、シール部材９０のシール性が一層向上する等の効果がある。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、シール部材は、本体基部の先端に複数の突起部が設けられており、従来の単一リップ形状に比べてシール部位との接触面積が増加し、所望のシール性を維持することができる。しかも、各突起部は、比較的変形し易く、シール部位の高さ変動に容易に追従することが可能になり、簡単な構成で所望のシール性を確保することができる。従って、特に金属セパレータに特有の現象、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねりまたは変形に対しても、良好なシール性能を発揮することが可能になる。また、積層されている各発電セルのずれに対する強度が向上し、前記発電セル同士を確実に保持することができる。
【００６７】
その上、各突起部が容易に変形してシール部位に適正なシール面圧（シール線圧）を付与することができ、過度のシール面圧が発生することがない。このため、電極面内の面圧分布が適正に維持されるとともに、電解質・電極構造体等を含む種々の部品が損傷することを有効に阻止することが可能になる。
【００６８】
さらに、本体基部は、断面台形状に構成されており、シール部材自体が過度に潰れることに対して所望の強度（タフネス）を向上させることができる。これにより、車載用として使用するために、複数の燃料電池を積層してスタック化を図る際に、所望のシール性を確保することが可能になるとともに、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。
【００６９】
さらにまた、シール部材の先端部は、複数の突起部がシール部位に圧接した状態で、本体基部と一体的に前記シール部位の面方向（横方向）に追従することが可能になる。従って、振動や衝撃等が付与されても、所望のシール性を確実に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図４】前記シール部材の動作説明図である。
【図５】比較例であるリップ形状のシール部材の一部断面説明図である。
【図６】比較例と実施例とにおける変位量とシール線圧との関係を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するシール部材の断面説明図である。
【図９】特許文献１に係るシール部材の断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５０、６２、６８、７４、８０、９０…シール部材
５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ、７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ…シール部
５８、９２…本体基部 ６０ａ、６０ｂ、８２ａ〜８２ｃ…突起部
９４…円弧状先端部
Claims (5)
- 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属プレート製のセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口用連通孔および反応ガス出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池であって、
前記セパレータには、少なくとも前記電極または前記連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、
前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、
前記本体基部の先端に一体的に設けられる複数の突起部と、
を備え、
前記積層方向に締め付け荷重が付与された状態で、複数の前記突起部は、シール部位の形状に沿って変形して前記シール部位に一体に密着することにより、接触面積を増加させてシールすることを特徴とする燃料電池。 - 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属プレート製のセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する冷却媒体入口用連通孔および冷却媒体出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成された燃料電池であって、
前記セパレータには、少なくとも前記電極または前記連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、
前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、
前記本体基部の先端に一体的に設けられる複数の突起部と、
を備え、
前記積層方向に締め付け荷重が付与された状態で、複数の前記突起部は、シール部位の形状に沿って変形して前記シール部位に一体に密着することにより、接触面積を増加させてシールすることを特徴とする燃料電池。 - 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属プレート製のセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口用連通孔および反応ガス出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通する冷却媒体入口用連通孔および冷却媒体出口用連通孔に連通しかつ前記電極の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路とが形成された燃料電池であって、
前記セパレータには、少なくとも前記電極または前記連通孔の周囲を覆ってシール部材が一体化されるとともに、
前記シール部材は、断面台形状を有する本体基部と、
前記本体基部の先端に所定の曲率を有して一体的に設けられるとともに、該本体基部よりも軟質な複数の円弧状先端部と、
を備え、
前記積層方向に締め付け荷重が付与された状態で、複数の前記円弧状先端部は、シール部位の形状に沿って変形して前記シール部位に一体に密着することにより、接触面積を増加させてシールすることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは波板状の金属プレートで構成されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項３記載の燃料電池において、前記円弧状先端部には、複数の突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
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