JP4498585B2 - 燃料電池のシール部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のシール部材、特に、シール性を向上することができる燃料電池のシール部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極とを対設した電解質膜・電極構造体をセパレータによって両側から締め付けたものを一単位とし、これらを複数積層することにより構成された固体高分子電解質型の燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
この種の燃料電池において、アノード電極側に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソード電極へと移動する。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ーとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００３】
ここで、前記アノード電極、カソード電極に供給される燃料ガス、酸化剤ガスが外部に漏れないように、電解質膜・電極構造体とその両側に対設されたセパレータとの間にシール部材を介在させて気密性を確保し、このセパレータ面であってシール部材で囲まれた反応面に燃料ガス、酸化剤ガスを導くようにしている。
また、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応による燃料電池の温度上昇を防止するため、積層された状態で隣接するセパレータ間に冷却液を供給するが、セパレータの冷却面の周囲にも、冷却液が外部に漏れ出すのを防止するためにシール部材が設けられている。
そして、前記アノード電極、カソード電極に、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスを供給したり、前記冷却面に冷却液を供給する場合に、各セパレータの面を貫いて反応ガス供給路、冷却水の供給路を形成する内部マニホールド構造を採用する場合には、各供給路の周囲をシール部材でシールする必要がある。
【０００４】
前記反応面の周囲のシール部材の一例を図１１によって説明する。同図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１はアノード電極２とカソード電極３とにより挟持され、電解質膜・電極構造体４を構成している。この電解質膜・電極構造体４は更に一対のセパレータ５，６により両側から締め付けられ燃料電池を構成している。
固体高分子電解質膜１の外周部分は、各電極２，３の周囲からはみ出しており、このはみ出した部分が、各セパレータ５，６の溝７に装着されたシール部材８によって両側から挟持されている。そして、各セパレータ５，６の電極２，３に対向する面には反応ガス流路９，１０が形成されている。
したがって、上記シール部材８により囲まれた部分であって、各電極２，３と各セパレータ５，６との間の反応ガス流路９，１０に、燃料ガスと酸化剤ガスが各々供給され、これら各反応ガスがシール部材８により外部に漏れ出さないようになっている（特開平０８−０３７０１２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の燃料電池のシール部材においては、前記溝７の幅いっぱいまでこのシール部材８を装着すると、電解質膜・電極構造体４をセパレータ５，６で両側から締め付けた場合に、変形したシール部材を逃がす空間がないため大きな締め付け力を必要とし、シール部材８の面圧が大きくなる。したがって、複数組の燃料電池を積層した状態で十分な締め付け力を確保するためには、締め付け機構を大型化せざるを得ないという問題がある。
【０００６】
これに対して、使用するシール部材８の直径に対して溝７の幅寸法を大きくしてシール部材８を溝７に余裕をもたせて装着することもできるが、このようにすると図１２に示すようように、電解質膜・電極構造体４をセパレータ５，６で両側から締め付けた場合に、セパレータ５，６の溝７内のシール部材８が位置ずれを起こし、固体高分子電解質膜１に対して剪断力が作用し、各セパレータ５，６と固体高分子電解質膜１との間を確実にシールすることができないという問題がある。
そこで、本発明は、シール部材に加える面圧を低く抑え、シール性を高めることができる燃料電池のシール部材を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１５）の両側を一対の電極（例えば、実施形態におけるアノード電極Ａ、カソード電極Ｃ）で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるアノード側セパレータ１３、カソード側セパレータ１４）で両側から締め付けて構成される燃料電池の当該セパレータの溝（例えば、実施形態における溝３８，３９）に装着されるシール部材（例えば、実施形態におけるシール部材Ｓ１，Ｓ２）であって、断面略半円形状のシール部材本体（例えば、実施形態におけるシール部材本体４０）の弦部（例えば、実施形態における弦部４０ｂ）の中心に対して対称位置に、一対の切欠部（例えば、実施形態における切欠部４３）を形成し、前記一対の切欠部の間をシール面（例えば、実施形態におけるボトム部４０ｃ）とし、前記シール部材本体の内部にコア部分（例えば、実施形態におけるコア部分４１）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、シール部材本体の弦部に対向する円弧部（例えば、実施形態における円弧部４０ａ）から押圧力が作用すると前記一対の切欠部の間がシール面（例えば、実施形態におけるボトム部４０ｃ）となり、シール性を向上することができる。また、溝と切欠部との間に形成された空間部（例えば、実施形態における空間部４５）に、押圧力により変形した部分を逃がすことができるため、小さな押圧力でシール部材本体の弾性変形量を大きく確保することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、前記弦部の両側に溝の幅方向に向かって延出する突出部（例えば、実施形態における突出部４２）を設け、前記突出部が溝の側壁（例えば、実施形態における側壁３８ａ，３９ａ）に近接あるいは接触する位置まで延出していることを特徴とする。
このように構成することで、溝の幅方向に延出した突出部の先端が、溝の側壁に対して移動規制されるため、弦部の中央部分を溝の幅方向の中心部分に位置させることができ、溝の幅方向でのずれをなくすことができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、前記突出部の溝の長さに沿う方向に、所定間隔をもって切除部（例えば、実施形態における切除部４４）を形成したことを特徴とする。
このように構成することで、前記円弧部に押圧力が作用した場合に、溝の側壁と切除部の間に形成された空間部（例えば、実施形態における空間部４６）に変形した部分を逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保することができる。また、溝と接触する前記突出部の面積が小さくなるためシール部材を溝に押し込む際の作業性が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明を実施した燃料電池を示す分解斜視図である。図２は図１のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。図１、図２において燃料電池Ｎは電解質膜・電極構造体１２とこれを両側から締め付けるアノード側セパレータ（セパレータ）１３及びカソード側セパレータ（セパレータ）１４を備え、これらが複数組積層され、例えばボルト、ナット等の締め付け機構により一体化されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜（電解質膜）１５と、この固体高分子電解質膜１５を挟んで両側に配設されるアノード側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層１７を有するとともに、前記アノード側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層１７の各々の外側に、アノード側多孔質導電体１８及びカソード側多孔質導電体１９が配置されている。
【００１１】
ここで、上記アノード側多孔質導電体１８及びカソード側多孔質導電体１９は、例えば、多孔質カーボンペーパー、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンフェルトから形成されている。また、前記固体高分子電解質膜１５として、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。一方、アノード側電極触媒層１６、カソード側電極触媒層１７はＰｔを主体としたものである。尚、上記アノード側電極触媒層１６とアノード側多孔質導電体１８とでアノード電極Ａが構成され、上記カソード側電極触媒層１７とカソード側多孔質導電体１９とでカソード電極Ｃが構成される。
固体高分子電解質膜１５には、これを挟んで対設されるアノード電極Ａ及びカソード電極Ｃの外周端部からはみ出して外側に広がるようにはみ出し部１５ａが設けられ、このはみ出し部１５ａに対応する位置に両側から後述するアノード側のシール部材Ｓ１とカソード側のシール部材Ｓ１とが直接密着するようになっている。尚、このシール部材Ｓ１については後述する。
【００１２】
図１に示すように、カソード側セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔２２ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔２３ａとを備えている。カソード側セパレータ１４の横方向両端中央側に、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔２４ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔２４ｂとが設けられている。また、カソード側セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂとが、入口側燃料ガス連通孔２２ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔２３ａと対角位置になるように設けられている。
【００１３】
カソード側セパレータ１４のカソード電極Ｃに対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した酸化剤ガス流路溝２５が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。酸化剤ガス流路溝２５は、３本の酸化剤ガス流路溝２６に合流し、この酸化剤ガス流路溝２６が出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに近接して終端している。
【００１４】
図３に示すように、カソード側セパレータ１４には、このカソード側セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で酸化剤ガス流路溝２５に連通する酸化剤ガス連結流路２７と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で酸化剤ガス流路溝２６に連通する酸化剤ガス連結流路２９とが、前記カソード側セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００１５】
図４、図５に示すように、アノード側セパレータ１３の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、カソード側セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂが形成されている。
【００１６】
図４に示すように、前記アノード側セパレータ１３の面１３ａには、入口側燃料ガス連通孔２２ａに近接して複数本、例えば、６本の燃料ガス流路溝３０が形成される。この燃料ガス流路溝３０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の燃料ガス流路溝３１に合流してこの燃料ガス流路溝３１が出口側燃料ガス連通孔２２ｂの近傍で終端している。
【００１７】
アノード側セパレータ１３には、入口側燃料ガス連通孔２２ａを面１３ｂ側から燃料ガス流路溝３０に連通する燃料ガス連結流路３２と、出口側燃料ガス連通孔２２ｂを前記面１３ｂ側から燃料ガス流路溝３１に連通する燃料ガス連結流路３３とが、前記アノード側セパレータ１３を貫通して設けられている。
【００１８】
図５に示すように、アノード側セパレータ１３の面１３ｂには、入口側冷却媒体連通孔２４ａ及び出口側冷却媒体連通孔２４ｂに近接して複数本の主流路溝３４ａ、３４ｂが形成されている。主流路溝３４ａ、３４ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝３５が水平方向に延在して設けられている。
アノード側セパレータ１３には、入口側冷却媒体連通孔２４ａと主流路溝３４ａとを連通する冷却媒体連結流路３６と、出口側冷却媒体連通孔２４ｂと主流路溝３４ｂとを連通する冷却媒体連結流路３７とが、前記アノード側セパレータ１３を貫通して設けられている。
【００１９】
ここで、図４に示すように、前記固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜１５を挟持するアノード側セパレータ１３のアノード電極Ａの外周部分に対向する面１３ａに溝３８が設けられ、この溝３８にシール部材Ｓ１が装着されている。また、このアノード側セパレータ１３の面１３ａの入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲には溝３９が形成され、この溝３９にはシール部材Ｓ２が装着されている。尚、このシール部材Ｓ２については後述する。
【００２０】
図４に示すように、アノード側セパレータ１３の面１３ａの前記入口側冷却媒体連通孔２４ａと出口側冷却媒体連通孔２４ｂとの周囲の溝３９は、各々冷却媒体連結流路３６、冷却媒体連結流路３７を囲むように形成されている。
また、前記アノード側セパレータ１３と共に電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４のカソード電極Ｃの外周部分に対向する面１４ａにも、図１に示すように前記アノード側セパレータ１３の面１３ａの溝３８，３９に対応する位置に、溝３８，３９が形成され、各々にシール部材Ｓ１，Ｓ２が装着されている。
【００２１】
したがって、図２、図６に示すように、これら電解質膜・電極構造体１２を両側から締め付けるアノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との溝３８に装着された各シール部材Ｓ１が、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し電解質膜・電極構造体１２の周囲をシールし、また、各連通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂの周囲では、溝３９内のシール部材Ｓ２どうしが密着してこれらの周囲をシールするようになっている。
【００２２】
図５、図６に示すように、前記アノード側セパレータ１３の面１３ｂには、複数の燃料電池Ｎを積層した際に互いに隣接する前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝３５の周囲を取り囲む位置に溝３８が設けられ、この溝３８にシール部材Ｓ１が装着されている。また、このアノード側セパレータ１３の面１３ｂの入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲には溝３９が形成され、この溝３９にシール部材Ｓ２が装着されている。尚、図３にはこれらシール部材Ｓ１，Ｓ２がカソード側セパレータ１４の面１４ｂに当接する位置を２点鎖線で示す。
【００２３】
ここで、図５において前記入口側燃料ガス連通孔２２ａと出口側燃料ガス連通孔２２ｂとの周囲の溝３９は、各々燃料ガス連結流路３２、燃料ガス連結流路３３を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａと出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂとの周囲の溝３９は、図３に示すように前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂの酸化剤ガス連結流路２７，２９を囲むように設けられている。
【００２４】
このようにして、燃料電池Ｎを積層した場合に、カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１３の面１３ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔２２ａ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲と分岐流路溝３５の周囲でアノード側セパレータ１３側の各シール部材Ｓ１，Ｓ２がカソード側セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との水密性を確保している。
【００２５】
次に、図７、図８に基づいて、前記シール部材Ｓ１，Ｓ２について説明する。ここで、前記シール部材Ｓ１とシール部材Ｓ２は大きさの違いはあったとしても同一断面形状、同一材質であるので、酸化剤ガス流路溝２５、燃料ガス流路溝３０、分岐流路溝３５等の周囲を取り囲むシール部材Ｓ１を例にして説明する。尚、図７は図８のＸ５−Ｘ５線に沿う断面図、図８は平面図を示す。
【００２６】
シール部材Ｓ１はシリコーン系ゴム、フッソ系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、ブチル系ゴム等により形成されたものであり、断面略半円形状のシール部材本体４０を備えている。シール部材本体４０の上面には円弧部４０ａが形成され、下面はフラットな弦部４０ｂとして形成されている。
シール部材本体４０の中心部分には、鎖線で示すようにシール圧力を発生させる円形断面のコア部分４１が確保されている。尚、コア部分４１は楕円形状でもよい。
シール部材本体４０の両側には溝３８の幅方向に向かって延出する突出部４２が設けられている。この突出部４２の端末は溝３８の側壁３８ａの形状に合わせて円弧状に形成され、前記突出部４２は溝の側壁３８ａに接触する位置まで（近接していてもよい）延出している。
【００２７】
そして、前記弦部４０ｂの中心に対して対称位置に、一対の切欠部４３が形成されている。この切欠部４３はシール部材本体４０の円弧部４０ａに向かって半円形状に切り取られたもので、この切欠部４３の切り欠き深さは前記溝３８の深さ寸法に収まるような深さ寸法に形成されている。よって、切欠部４３と溝３８の底面との間に空間部４５が形成される。また、上記２つの切欠部４３の間の弦部４０ｂにはフラットなボトム部（シール面）４０ｃが形成されることとなる。尚、前記切欠部４３の形状は半円形状に限られず、滑らかな曲線でつながっていればよい。
【００２８】
図８に示すように、前記突出部４２の溝３８の長さに沿う方向に、所定間隔をもって切除部４４（幅寸法Ｄ２）が形成され、切除部４４の間に突出部４２が幅寸法Ｄ１だけ残るように形成されている。これによって、切除部４４と溝３８の側壁３８ａとの間に空間部４６が形成される。尚、図９に示すように、切除部４４ａを弧状に形成することにより、突出部４２の平面視形状を滑らかに変化する波形にすることもできる。
【００２９】
図１０はシール部材本体４０の円弧部４０ａにフラット部４０ｄを設けたものである。このフラット部４０ｄは、前記ボトム部４０ｃと同等の幅寸法で形成され、印引加された押圧力をボトム部４０ｃに確実に伝えるようになっている。尚、図９及び図１０において、図７、図８と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００３０】
このように構成される燃料電池の動作について説明する。
図１に示す燃料電池Ｎ内には、燃料ガスである水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスである空気が供給され、更に各電極の反応面を冷却するために、冷却媒体が供給される。
図４、図５に示すように、燃料電池の入口側燃料ガス連通孔２２ａに供給された水素ガスは、燃料ガス連結流路３２を介して面１３ｂ側から面１３ａ側に移動し、この面１３ａ側に形成されている燃料ガス流路溝３０に供給される。
【００３１】
燃料ガス流路溝３０に供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ１３の面１３ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、図１に示すアノード側多孔質導電体１８を通ってアノード側電極触媒層１６に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス流路溝３０に沿って移動しながらアノード側電極触媒層１６に供給される一方、燃料ガス流路溝３１を介して燃料ガス連結流路３３に導入され、面１３ｂ側に移動した後に出口側燃料ガス連通孔２２ｂに排出される。
【００３２】
また、燃料電池の入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに供給された空気は、図３に示すように、カソード側セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに連通する酸化剤ガス連結流路２７を介して酸化剤ガス流路溝２５に導入される。酸化剤ガス流路溝２５に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、この空気中の酸素含有ガスは、図１に示すカソード側多孔質導電体１９からカソード側電極触媒層１７に供給される。そして、未使用の酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝２５に沿って移動しながらカソード側電極触媒層１７に供給される一方、酸化剤ガス流路溝２６を介して酸化剤ガス連結流路２９に導入され、面１４ｂ側に移動した後に出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに排出される。これにより、燃料電池Ｎで発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３３】
更に、燃料電池に供給された冷却媒体は、入口側冷却媒体連通孔２４ａに導入された後、図５に示すように、アノード側セパレータ１３の冷却媒体連結流路３６を介して面１３ｂ側の主流路溝３４ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝３４ａから分岐する複数本の分岐流路溝３５を通って燃料電池の反応面を冷却した後、主流路溝３４ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は冷却媒体連結流路３７を通って出口側冷却媒体連通孔２４ｂから排出される。
【００３４】
ここで、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａにアノード側セパレータ１３と、カソード側セパレータ１４側から密接するシール部材Ｓ１，Ｓ１により、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａは確実にずれることなくシールされる。また、同様にアノード側セパレータ１３の面１３ｂの分岐流路溝３５の周囲もシール部材Ｓ１により確実にシールされる。更に、各連通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂの周囲もシール部材Ｓ２により確実にシールされる。
【００３５】
即ち、シール部材Ｓ１，Ｓ２に設けられた突出部４２の先端が、溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに対して移動規制されるため、シール部材Ｓ１，Ｓ２が溝３８，３９の幅方向の中心部分寄りに正確に位置決めされる。これにより、例えば、固体高分子電解質膜１５をシール部材Ｓ１で挟持した場合に、固体高分子電解質膜１５をずれることなくシールすることができる。
したがって、燃料ガス、酸化剤ガスがシール部材Ｓ１と固体高分子電解質膜１５との間から外部に漏れることがなくなり、シール性を高めることができる。
【００３６】
また、各シール部材Ｓ２，Ｓ２どうしが密接する部分においても、各シール部材Ｓ２，Ｓ２が溝３９の幅方向の中心部分寄りに位置決めされるため、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との間において、入口側、出口側燃料ガス連通孔２２ａ，２２ｂ、入口側、出口側酸化剤ガス連通孔２３ａ，２３ｂ、入口側、出口側冷却媒体連通孔２４ａ，２４ｂから、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体が外部に漏れることがなくなり、シール性を高めることができる。
【００３７】
また、前記弦部４０ｂの中心に対して対称位置に、一対の切欠部４３が形成されているため、円弧部４０ａから押圧力が作用した場合に、押圧力により変形して押し出された部分を溝３８，３９と切欠部４３との間に形成された空間部４５に逃がすことができる。よって、小さな押圧力でシール部材Ｓ１，Ｓ２の弾性変形量を大きく確保することができると共に弾性変形量を確保する面圧を抑えることができる。
よって、複数組の燃料電池Ｎを積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、締め付け機構を小型化することができる。また、この切欠部４３によりシール部材Ｓ１，Ｓ２の高さ寸法を大きく設定し、十分な弾性変形量を確保できるため、溝３８，３９の深さ寸法が極めて小さく、シール部材Ｓ１，Ｓ２のコア部分４１の直径が１ｍｍ以下であるような場合には好適である。
【００３８】
そして、シール部材Ｓ１，Ｓ２に切除部４４が設けられていることにより、上記押圧力によるシール部材Ｓ１，Ｓ２の変形した部分は、この切除部４４と溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａとの間に形成された空間部４６にも逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保でき、弾性変形量を確保する面圧をより一層抑えることができる。よって、シール部材Ｓ１，Ｓ２の高さ寸法を大きく設定し、十分な弾性変形量を確保できるため、溝３８，３９の深さ寸法が極めて小さくできる。尚、前記幅寸法Ｄ２を幅寸法Ｄ１に対して大きくすればするほど、溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに接触する突出部４２の面積が小さくなるため、シール部材Ｓ１，Ｓ２を溝３８，３９に装着する際の作業性を向上できると共に、溝３８，３９の幅方向での弾性変形量を小さくできる。
【００３９】
また、図１０に示すようなシール部材本体４０の円弧部４０ａにフラット部４０ｄを設けたものでは、フラットなボトム部４０ｃによりシール部材Ｓ１，Ｓ２が安定して支持されることと相俟って、フラット部４０ｄにより確実に押圧力を下側のボトム部４０ｃに作用させることができる。
尚、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、金属製のセパレータ用のシール部材にも適用することができる。また、切除部４４にも様々な形状を採用することができ、切除部４４により溝３８，３９に接触する突出部４２の形状を平面から視て三角形状にすることもできる。この場合には溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに対する初期面圧を小さくできる。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、シール部材本体の弦部に対向する円弧部から押圧力が作用すると前記一対の切欠部の間がシール面となり、シール性を向上することができる。また、溝と切欠部との間に形成された空間部に、押圧力により変形した部分を逃がすことができるため、小さな押圧力でシール部材本体の弾性変形量を大きく確保することができる。よって、複数組の燃料電池を積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、したがって、締め付け機構を小型化することができる。
【００４１】
請求項２に記載した発明によれば、溝の幅方向に延出した突出部の先端が、溝の側壁に対して移動規制されるため、弦部の中央部分を溝の幅方向の中心部分に位置させることができ、溝の幅方向でのずれをなくすことができる。
【００４２】
請求項３に記載した発明によれば、前記円弧部に押圧力が作用した場合に、溝の側壁と切除部の間に形成された空間部に変形した部分を逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保することができる。よって、複数組の燃料電池を積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、したがって、締め付け機構を小型化することができる。また、溝と接触する前記突出部の面積が小さくなるためシール部材を溝に押し込む際の作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の燃料電池の分解斜視図である。
【図２】 図１のＸ１−Ｘ１に沿う組立状態の断面図である。
【図３】 図１のＸ２矢視図である。
【図４】 図１のＸ３矢視図である。
【図５】 図１のＸ４矢視図である。
【図６】 図２の要部拡大図である。
【図７】 本発明の実施形態のシール部材の図８のＸ５−Ｘ５線に沿う断面図である。
【図８】 本発明の実施形態のシール部材の平面図である。
【図９】 本発明の他の実施形態の図８に相当する平面図である。
【図１０】 本発明の別の実施形態のシール部材の断面図である。
【図１１】 従来技術の断面図である。
【図１２】 従来技術の部分断面説明図である。
【符号の説明】
１３ アノード側セパレータ（セパレータ）
１４ カソード側セパレータ（セパレータ）
１５ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
３８ 溝
３９ 溝
３８ａ，３９ａ 側壁
４０ シール部材本体
４０ｂ 弦部
４０ｃ ボトム部（シール面）
４１ コア部分
４２ 突出部
４３ 切欠部
４４ 切除部
Ａ アノード電極（電極）
Ｃ カソード電極（電極）
Ｓ１ シール部材
Ｓ２ シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のシール部材、特に、シール性を向上することができる燃料電池のシール部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極とを対設した電解質膜・電極構造体をセパレータによって両側から締め付けたものを一単位とし、これらを複数積層することにより構成された固体高分子電解質型の燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
この種の燃料電池において、アノード電極側に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソード電極へと移動する。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ーとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００３】
ここで、前記アノード電極、カソード電極に供給される燃料ガス、酸化剤ガスが外部に漏れないように、電解質膜・電極構造体とその両側に対設されたセパレータとの間にシール部材を介在させて気密性を確保し、このセパレータ面であってシール部材で囲まれた反応面に燃料ガス、酸化剤ガスを導くようにしている。
また、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応による燃料電池の温度上昇を防止するため、積層された状態で隣接するセパレータ間に冷却液を供給するが、セパレータの冷却面の周囲にも、冷却液が外部に漏れ出すのを防止するためにシール部材が設けられている。
そして、前記アノード電極、カソード電極に、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスを供給したり、前記冷却面に冷却液を供給する場合に、各セパレータの面を貫いて反応ガス供給路、冷却水の供給路を形成する内部マニホールド構造を採用する場合には、各供給路の周囲をシール部材でシールする必要がある。
【０００４】
前記反応面の周囲のシール部材の一例を図１１によって説明する。同図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１はアノード電極２とカソード電極３とにより挟持され、電解質膜・電極構造体４を構成している。この電解質膜・電極構造体４は更に一対のセパレータ５，６により両側から締め付けられ燃料電池を構成している。
固体高分子電解質膜１の外周部分は、各電極２，３の周囲からはみ出しており、このはみ出した部分が、各セパレータ５，６の溝７に装着されたシール部材８によって両側から挟持されている。そして、各セパレータ５，６の電極２，３に対向する面には反応ガス流路９，１０が形成されている。
したがって、上記シール部材８により囲まれた部分であって、各電極２，３と各セパレータ５，６との間の反応ガス流路９，１０に、燃料ガスと酸化剤ガスが各々供給され、これら各反応ガスがシール部材８により外部に漏れ出さないようになっている（特開平０８−０３７０１２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の燃料電池のシール部材においては、前記溝７の幅いっぱいまでこのシール部材８を装着すると、電解質膜・電極構造体４をセパレータ５，６で両側から締め付けた場合に、変形したシール部材を逃がす空間がないため大きな締め付け力を必要とし、シール部材８の面圧が大きくなる。したがって、複数組の燃料電池を積層した状態で十分な締め付け力を確保するためには、締め付け機構を大型化せざるを得ないという問題がある。
【０００６】
これに対して、使用するシール部材８の直径に対して溝７の幅寸法を大きくしてシール部材８を溝７に余裕をもたせて装着することもできるが、このようにすると図１２に示すようように、電解質膜・電極構造体４をセパレータ５，６で両側から締め付けた場合に、セパレータ５，６の溝７内のシール部材８が位置ずれを起こし、固体高分子電解質膜１に対して剪断力が作用し、各セパレータ５，６と固体高分子電解質膜１との間を確実にシールすることができないという問題がある。
そこで、本発明は、シール部材に加える面圧を低く抑え、シール性を高めることができる燃料電池のシール部材を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１５）の両側を一対の電極（例えば、実施形態におけるアノード電極Ａ、カソード電極Ｃ）で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ（例えば、実施形態におけるアノード側セパレータ１３、カソード側セパレータ１４）で両側から締め付けて構成される燃料電池の当該セパレータの溝（例えば、実施形態における溝３８，３９）に装着されるシール部材（例えば、実施形態におけるシール部材Ｓ１，Ｓ２）であって、断面略半円形状のシール部材本体（例えば、実施形態におけるシール部材本体４０）の弦部（例えば、実施形態における弦部４０ｂ）の中心に対して対称位置に、一対の切欠部（例えば、実施形態における切欠部４３）を形成し、前記一対の切欠部の間をシール面（例えば、実施形態におけるボトム部４０ｃ）とし、前記シール部材本体の内部にコア部分（例えば、実施形態におけるコア部分４１）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、シール部材本体の弦部に対向する円弧部（例えば、実施形態における円弧部４０ａ）から押圧力が作用すると前記一対の切欠部の間がシール面（例えば、実施形態におけるボトム部４０ｃ）となり、シール性を向上することができる。また、溝と切欠部との間に形成された空間部（例えば、実施形態における空間部４５）に、押圧力により変形した部分を逃がすことができるため、小さな押圧力でシール部材本体の弾性変形量を大きく確保することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、前記弦部の両側に溝の幅方向に向かって延出する突出部（例えば、実施形態における突出部４２）を設け、前記突出部が溝の側壁（例えば、実施形態における側壁３８ａ，３９ａ）に近接あるいは接触する位置まで延出していることを特徴とする。
このように構成することで、溝の幅方向に延出した突出部の先端が、溝の側壁に対して移動規制されるため、弦部の中央部分を溝の幅方向の中心部分に位置させることができ、溝の幅方向でのずれをなくすことができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、前記突出部の溝の長さに沿う方向に、所定間隔をもって切除部（例えば、実施形態における切除部４４）を形成したことを特徴とする。
このように構成することで、前記円弧部に押圧力が作用した場合に、溝の側壁と切除部の間に形成された空間部（例えば、実施形態における空間部４６）に変形した部分を逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保することができる。また、溝と接触する前記突出部の面積が小さくなるためシール部材を溝に押し込む際の作業性が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明を実施した燃料電池を示す分解斜視図である。図２は図１のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。図１、図２において燃料電池Ｎは電解質膜・電極構造体１２とこれを両側から締め付けるアノード側セパレータ（セパレータ）１３及びカソード側セパレータ（セパレータ）１４を備え、これらが複数組積層され、例えばボルト、ナット等の締め付け機構により一体化されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜（電解質膜）１５と、この固体高分子電解質膜１５を挟んで両側に配設されるアノード側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層１７を有するとともに、前記アノード側電極触媒層１６及びカソード側電極触媒層１７の各々の外側に、アノード側多孔質導電体１８及びカソード側多孔質導電体１９が配置されている。
【００１１】
ここで、上記アノード側多孔質導電体１８及びカソード側多孔質導電体１９は、例えば、多孔質カーボンペーパー、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンフェルトから形成されている。また、前記固体高分子電解質膜１５として、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。一方、アノード側電極触媒層１６、カソード側電極触媒層１７はＰｔを主体としたものである。尚、上記アノード側電極触媒層１６とアノード側多孔質導電体１８とでアノード電極Ａが構成され、上記カソード側電極触媒層１７とカソード側多孔質導電体１９とでカソード電極Ｃが構成される。
固体高分子電解質膜１５には、これを挟んで対設されるアノード電極Ａ及びカソード電極Ｃの外周端部からはみ出して外側に広がるようにはみ出し部１５ａが設けられ、このはみ出し部１５ａに対応する位置に両側から後述するアノード側のシール部材Ｓ１とカソード側のシール部材Ｓ１とが直接密着するようになっている。尚、このシール部材Ｓ１については後述する。
【００１２】
図１に示すように、カソード側セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔２２ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔２３ａとを備えている。カソード側セパレータ１４の横方向両端中央側に、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔２４ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔２４ｂとが設けられている。また、カソード側セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂとが、入口側燃料ガス連通孔２２ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔２３ａと対角位置になるように設けられている。
【００１３】
カソード側セパレータ１４のカソード電極Ｃに対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した酸化剤ガス流路溝２５が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。酸化剤ガス流路溝２５は、３本の酸化剤ガス流路溝２６に合流し、この酸化剤ガス流路溝２６が出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに近接して終端している。
【００１４】
図３に示すように、カソード側セパレータ１４には、このカソード側セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で酸化剤ガス流路溝２５に連通する酸化剤ガス連結流路２７と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で酸化剤ガス流路溝２６に連通する酸化剤ガス連結流路２９とが、前記カソード側セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００１５】
図４、図５に示すように、アノード側セパレータ１３の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、カソード側セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂが形成されている。
【００１６】
図４に示すように、前記アノード側セパレータ１３の面１３ａには、入口側燃料ガス連通孔２２ａに近接して複数本、例えば、６本の燃料ガス流路溝３０が形成される。この燃料ガス流路溝３０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の燃料ガス流路溝３１に合流してこの燃料ガス流路溝３１が出口側燃料ガス連通孔２２ｂの近傍で終端している。
【００１７】
アノード側セパレータ１３には、入口側燃料ガス連通孔２２ａを面１３ｂ側から燃料ガス流路溝３０に連通する燃料ガス連結流路３２と、出口側燃料ガス連通孔２２ｂを前記面１３ｂ側から燃料ガス流路溝３１に連通する燃料ガス連結流路３３とが、前記アノード側セパレータ１３を貫通して設けられている。
【００１８】
図５に示すように、アノード側セパレータ１３の面１３ｂには、入口側冷却媒体連通孔２４ａ及び出口側冷却媒体連通孔２４ｂに近接して複数本の主流路溝３４ａ、３４ｂが形成されている。主流路溝３４ａ、３４ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝３５が水平方向に延在して設けられている。
アノード側セパレータ１３には、入口側冷却媒体連通孔２４ａと主流路溝３４ａとを連通する冷却媒体連結流路３６と、出口側冷却媒体連通孔２４ｂと主流路溝３４ｂとを連通する冷却媒体連結流路３７とが、前記アノード側セパレータ１３を貫通して設けられている。
【００１９】
ここで、図４に示すように、前記固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜１５を挟持するアノード側セパレータ１３のアノード電極Ａの外周部分に対向する面１３ａに溝３８が設けられ、この溝３８にシール部材Ｓ１が装着されている。また、このアノード側セパレータ１３の面１３ａの入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲には溝３９が形成され、この溝３９にはシール部材Ｓ２が装着されている。尚、このシール部材Ｓ２については後述する。
【００２０】
図４に示すように、アノード側セパレータ１３の面１３ａの前記入口側冷却媒体連通孔２４ａと出口側冷却媒体連通孔２４ｂとの周囲の溝３９は、各々冷却媒体連結流路３６、冷却媒体連結流路３７を囲むように形成されている。
また、前記アノード側セパレータ１３と共に電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４のカソード電極Ｃの外周部分に対向する面１４ａにも、図１に示すように前記アノード側セパレータ１３の面１３ａの溝３８，３９に対応する位置に、溝３８，３９が形成され、各々にシール部材Ｓ１，Ｓ２が装着されている。
【００２１】
したがって、図２、図６に示すように、これら電解質膜・電極構造体１２を両側から締め付けるアノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との溝３８に装着された各シール部材Ｓ１が、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し電解質膜・電極構造体１２の周囲をシールし、また、各連通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂの周囲では、溝３９内のシール部材Ｓ２どうしが密着してこれらの周囲をシールするようになっている。
【００２２】
図５、図６に示すように、前記アノード側セパレータ１３の面１３ｂには、複数の燃料電池Ｎを積層した際に互いに隣接する前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝３５の周囲を取り囲む位置に溝３８が設けられ、この溝３８にシール部材Ｓ１が装着されている。また、このアノード側セパレータ１３の面１３ｂの入口側燃料ガス連通孔２２ａ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲には溝３９が形成され、この溝３９にシール部材Ｓ２が装着されている。尚、図３にはこれらシール部材Ｓ１，Ｓ２がカソード側セパレータ１４の面１４ｂに当接する位置を２点鎖線で示す。
【００２３】
ここで、図５において前記入口側燃料ガス連通孔２２ａと出口側燃料ガス連通孔２２ｂとの周囲の溝３９は、各々燃料ガス連結流路３２、燃料ガス連結流路３３を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａと出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂとの周囲の溝３９は、図３に示すように前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂの酸化剤ガス連結流路２７，２９を囲むように設けられている。
【００２４】
このようにして、燃料電池Ｎを積層した場合に、カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１３の面１３ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔２２ａ、出口側燃料ガス連通孔２２ｂ、入口側冷却媒体連通孔２４ａ、出口側冷却媒体連通孔２４ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔２３ａ及び出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂの周囲と分岐流路溝３５の周囲でアノード側セパレータ１３側の各シール部材Ｓ１，Ｓ２がカソード側セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との水密性を確保している。
【００２５】
次に、図７、図８に基づいて、前記シール部材Ｓ１，Ｓ２について説明する。ここで、前記シール部材Ｓ１とシール部材Ｓ２は大きさの違いはあったとしても同一断面形状、同一材質であるので、酸化剤ガス流路溝２５、燃料ガス流路溝３０、分岐流路溝３５等の周囲を取り囲むシール部材Ｓ１を例にして説明する。尚、図７は図８のＸ５−Ｘ５線に沿う断面図、図８は平面図を示す。
【００２６】
シール部材Ｓ１はシリコーン系ゴム、フッソ系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、ブチル系ゴム等により形成されたものであり、断面略半円形状のシール部材本体４０を備えている。シール部材本体４０の上面には円弧部４０ａが形成され、下面はフラットな弦部４０ｂとして形成されている。
シール部材本体４０の中心部分には、鎖線で示すようにシール圧力を発生させる円形断面のコア部分４１が確保されている。尚、コア部分４１は楕円形状でもよい。
シール部材本体４０の両側には溝３８の幅方向に向かって延出する突出部４２が設けられている。この突出部４２の端末は溝３８の側壁３８ａの形状に合わせて円弧状に形成され、前記突出部４２は溝の側壁３８ａに接触する位置まで（近接していてもよい）延出している。
【００２７】
そして、前記弦部４０ｂの中心に対して対称位置に、一対の切欠部４３が形成されている。この切欠部４３はシール部材本体４０の円弧部４０ａに向かって半円形状に切り取られたもので、この切欠部４３の切り欠き深さは前記溝３８の深さ寸法に収まるような深さ寸法に形成されている。よって、切欠部４３と溝３８の底面との間に空間部４５が形成される。また、上記２つの切欠部４３の間の弦部４０ｂにはフラットなボトム部（シール面）４０ｃが形成されることとなる。尚、前記切欠部４３の形状は半円形状に限られず、滑らかな曲線でつながっていればよい。
【００２８】
図８に示すように、前記突出部４２の溝３８の長さに沿う方向に、所定間隔をもって切除部４４（幅寸法Ｄ２）が形成され、切除部４４の間に突出部４２が幅寸法Ｄ１だけ残るように形成されている。これによって、切除部４４と溝３８の側壁３８ａとの間に空間部４６が形成される。尚、図９に示すように、切除部４４ａを弧状に形成することにより、突出部４２の平面視形状を滑らかに変化する波形にすることもできる。
【００２９】
図１０はシール部材本体４０の円弧部４０ａにフラット部４０ｄを設けたものである。このフラット部４０ｄは、前記ボトム部４０ｃと同等の幅寸法で形成され、印引加された押圧力をボトム部４０ｃに確実に伝えるようになっている。尚、図９及び図１０において、図７、図８と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００３０】
このように構成される燃料電池の動作について説明する。
図１に示す燃料電池Ｎ内には、燃料ガスである水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスである空気が供給され、更に各電極の反応面を冷却するために、冷却媒体が供給される。
図４、図５に示すように、燃料電池の入口側燃料ガス連通孔２２ａに供給された水素ガスは、燃料ガス連結流路３２を介して面１３ｂ側から面１３ａ側に移動し、この面１３ａ側に形成されている燃料ガス流路溝３０に供給される。
【００３１】
燃料ガス流路溝３０に供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ１３の面１３ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、図１に示すアノード側多孔質導電体１８を通ってアノード側電極触媒層１６に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス流路溝３０に沿って移動しながらアノード側電極触媒層１６に供給される一方、燃料ガス流路溝３１を介して燃料ガス連結流路３３に導入され、面１３ｂ側に移動した後に出口側燃料ガス連通孔２２ｂに排出される。
【００３２】
また、燃料電池の入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに供給された空気は、図３に示すように、カソード側セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔２３ａに連通する酸化剤ガス連結流路２７を介して酸化剤ガス流路溝２５に導入される。酸化剤ガス流路溝２５に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、この空気中の酸素含有ガスは、図１に示すカソード側多孔質導電体１９からカソード側電極触媒層１７に供給される。そして、未使用の酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝２５に沿って移動しながらカソード側電極触媒層１７に供給される一方、酸化剤ガス流路溝２６を介して酸化剤ガス連結流路２９に導入され、面１４ｂ側に移動した後に出口側酸化剤ガス連通孔２３ｂに排出される。これにより、燃料電池Ｎで発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３３】
更に、燃料電池に供給された冷却媒体は、入口側冷却媒体連通孔２４ａに導入された後、図５に示すように、アノード側セパレータ１３の冷却媒体連結流路３６を介して面１３ｂ側の主流路溝３４ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝３４ａから分岐する複数本の分岐流路溝３５を通って燃料電池の反応面を冷却した後、主流路溝３４ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は冷却媒体連結流路３７を通って出口側冷却媒体連通孔２４ｂから排出される。
【００３４】
ここで、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａにアノード側セパレータ１３と、カソード側セパレータ１４側から密接するシール部材Ｓ１，Ｓ１により、固体高分子電解質膜１５のはみ出し部１５ａは確実にずれることなくシールされる。また、同様にアノード側セパレータ１３の面１３ｂの分岐流路溝３５の周囲もシール部材Ｓ１により確実にシールされる。更に、各連通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂの周囲もシール部材Ｓ２により確実にシールされる。
【００３５】
即ち、シール部材Ｓ１，Ｓ２に設けられた突出部４２の先端が、溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに対して移動規制されるため、シール部材Ｓ１，Ｓ２が溝３８，３９の幅方向の中心部分寄りに正確に位置決めされる。これにより、例えば、固体高分子電解質膜１５をシール部材Ｓ１で挟持した場合に、固体高分子電解質膜１５をずれることなくシールすることができる。
したがって、燃料ガス、酸化剤ガスがシール部材Ｓ１と固体高分子電解質膜１５との間から外部に漏れることがなくなり、シール性を高めることができる。
【００３６】
また、各シール部材Ｓ２，Ｓ２どうしが密接する部分においても、各シール部材Ｓ２，Ｓ２が溝３９の幅方向の中心部分寄りに位置決めされるため、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４との間において、入口側、出口側燃料ガス連通孔２２ａ，２２ｂ、入口側、出口側酸化剤ガス連通孔２３ａ，２３ｂ、入口側、出口側冷却媒体連通孔２４ａ，２４ｂから、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体が外部に漏れることがなくなり、シール性を高めることができる。
【００３７】
また、前記弦部４０ｂの中心に対して対称位置に、一対の切欠部４３が形成されているため、円弧部４０ａから押圧力が作用した場合に、押圧力により変形して押し出された部分を溝３８，３９と切欠部４３との間に形成された空間部４５に逃がすことができる。よって、小さな押圧力でシール部材Ｓ１，Ｓ２の弾性変形量を大きく確保することができると共に弾性変形量を確保する面圧を抑えることができる。
よって、複数組の燃料電池Ｎを積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、締め付け機構を小型化することができる。また、この切欠部４３によりシール部材Ｓ１，Ｓ２の高さ寸法を大きく設定し、十分な弾性変形量を確保できるため、溝３８，３９の深さ寸法が極めて小さく、シール部材Ｓ１，Ｓ２のコア部分４１の直径が１ｍｍ以下であるような場合には好適である。
【００３８】
そして、シール部材Ｓ１，Ｓ２に切除部４４が設けられていることにより、上記押圧力によるシール部材Ｓ１，Ｓ２の変形した部分は、この切除部４４と溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａとの間に形成された空間部４６にも逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保でき、弾性変形量を確保する面圧をより一層抑えることができる。よって、シール部材Ｓ１，Ｓ２の高さ寸法を大きく設定し、十分な弾性変形量を確保できるため、溝３８，３９の深さ寸法が極めて小さくできる。尚、前記幅寸法Ｄ２を幅寸法Ｄ１に対して大きくすればするほど、溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに接触する突出部４２の面積が小さくなるため、シール部材Ｓ１，Ｓ２を溝３８，３９に装着する際の作業性を向上できると共に、溝３８，３９の幅方向での弾性変形量を小さくできる。
【００３９】
また、図１０に示すようなシール部材本体４０の円弧部４０ａにフラット部４０ｄを設けたものでは、フラットなボトム部４０ｃによりシール部材Ｓ１，Ｓ２が安定して支持されることと相俟って、フラット部４０ｄにより確実に押圧力を下側のボトム部４０ｃに作用させることができる。
尚、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、金属製のセパレータ用のシール部材にも適用することができる。また、切除部４４にも様々な形状を採用することができ、切除部４４により溝３８，３９に接触する突出部４２の形状を平面から視て三角形状にすることもできる。この場合には溝３８，３９の側壁３８ａ，３９ａに対する初期面圧を小さくできる。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、シール部材本体の弦部に対向する円弧部から押圧力が作用すると前記一対の切欠部の間がシール面となり、シール性を向上することができる。また、溝と切欠部との間に形成された空間部に、押圧力により変形した部分を逃がすことができるため、小さな押圧力でシール部材本体の弾性変形量を大きく確保することができる。よって、複数組の燃料電池を積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、したがって、締め付け機構を小型化することができる。
【００４１】
請求項２に記載した発明によれば、溝の幅方向に延出した突出部の先端が、溝の側壁に対して移動規制されるため、弦部の中央部分を溝の幅方向の中心部分に位置させることができ、溝の幅方向でのずれをなくすことができる。
【００４２】
請求項３に記載した発明によれば、前記円弧部に押圧力が作用した場合に、溝の側壁と切除部の間に形成された空間部に変形した部分を逃がすことができるため、弾性変形量を大きく確保することができる。よって、複数組の燃料電池を積層した場合に、従来に比較して全体の締め付け力を小さくすることができ、したがって、締め付け機構を小型化することができる。また、溝と接触する前記突出部の面積が小さくなるためシール部材を溝に押し込む際の作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の燃料電池の分解斜視図である。
【図２】 図１のＸ１−Ｘ１に沿う組立状態の断面図である。
【図３】 図１のＸ２矢視図である。
【図４】 図１のＸ３矢視図である。
【図５】 図１のＸ４矢視図である。
【図６】 図２の要部拡大図である。
【図７】 本発明の実施形態のシール部材の図８のＸ５−Ｘ５線に沿う断面図である。
【図８】 本発明の実施形態のシール部材の平面図である。
【図９】 本発明の他の実施形態の図８に相当する平面図である。
【図１０】 本発明の別の実施形態のシール部材の断面図である。
【図１１】 従来技術の断面図である。
【図１２】 従来技術の部分断面説明図である。
【符号の説明】
１３ アノード側セパレータ（セパレータ）
１４ カソード側セパレータ（セパレータ）
１５ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
３８ 溝
３９ 溝
３８ａ，３９ａ 側壁
４０ シール部材本体
４０ｂ 弦部
４０ｃ ボトム部（シール面）
４１ コア部分
４２ 突出部
４３ 切欠部
４４ 切除部
Ａ アノード電極（電極）
Ｃ カソード電極（電極）
Ｓ１ シール部材
Ｓ２ シール部材
Claims (3)
- 電解質膜の両側を一対の電極で挟持し、更にその外側を一対のセパレータで両側から締め付けて構成される燃料電池の当該セパレータの溝に装着されるシール部材であって、断面略半円形状のシール部材本体の弦部の中心に対して対称位置に、一対の切欠部を形成し、前記一対の切欠部の間をシール面とし、前記シール部材本体の内部にコア部分を設けたことを特徴とする燃料電池のシール部材。
- 前記弦部の両側に溝の幅方向に向かって延出する突出部を設け、前記突出部が溝の側壁に近接あるいは接触する位置まで延出していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール部材。
- 前記突出部の溝の長さに沿う方向に、所定間隔をもって切除部を形成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のシール部材。
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