JP5128068B2

JP5128068B2 - 燃料電池用シール構造

Info

Publication number: JP5128068B2
Application number: JP2005364390A
Authority: JP
Inventors: 俊哉若穂囲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007172851A

Description

この発明は、燃料電池用シール構造に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。

この燃料電池では、アノード電極側に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスが、アノード電極で触媒反応により水素イオン化し、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極側に供給された酸化剤ガス中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水（以下、生成水）を生成する。この発電には発熱を伴うため、発電を継続するために一般に冷媒を流して燃料電池を冷却している。

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、膜電極構造体とその両側に配置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、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、単位セルを積層したときに隣接するセパレータ間に冷媒通路を設けるとともに、セパレータ間にこの冷媒通路の周囲を囲うようにシール部材を介在させることにより、冷媒が外部に漏れ出すのを防止している。さらに、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、前記冷媒通路に冷媒を供給する場合に、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。

この燃料電池用シール構造としては、セパレータの表面に予め設けておいた位置決め凹溝にシール部材を挿入するのが一般的である。また、特許文献１に開示されているように、シール部材には、シール部材自身の弾性変形を逃がすための凹部を備えていて、これによりシール面圧の抑制を図ったものがある。

ところで、シール部材がセパレータの凹溝から外れないように接着剤で固定することも考えられている。このように接着剤で固定する場合、はみ出した接着剤がシール部材のシール面に付着しシール不良の原因になるときがある。
また、前記特許文献１に開示されたシール部材を凹溝に接着剤で固定する場合には、図１５に示すように、シール部材１００の弾性変形逃がし用凹部１０１に接着剤１１０が浸入して、セパレータ１２０の溝１２１と弾性変形逃がし用凹部１０１との間に形成されるはずの弾性変形逃がし用の空間が消失あるいは縮小し、その結果、シール面圧が高くなることがある。さらに、シール面圧が高いと、シール部材の耐久性も低下してしまう。
そこで、この発明は、シール面圧の上昇を防止することができ且つシール性、耐久性も良好に維持することができる燃料電池用シール構造を提供するものである。

この発明に係るシール部材では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜２１）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極２２）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極２３）を設けて膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体２０）を構成し、この膜電極構造体をその両側から一対のセパレータ（例えば、後述する実施例におけるアノード側セパレータ３０Ａ、カソード側セパレータ３０Ｂ）で挟持して構成される燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１、単位セル１０）の当該セパレータの溝（例えば、後述する実施例における溝６１，６２，６３）にシール部材（例えば、後述する実施例におけるシール部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ）が装着された燃料電池用シール構造であって、前記シール部材は、シール面を有するシール部（例えば、後述する実施例におけるシール部７１）と、このシール部に連なる固定部（例えば、後述する実施例における固定部８０）とを備え、前記固定部は、前記シール部の長手方向に対して直角に延びる板状のアーム部（例えば、後述する実施例におけるアーム部８１）と、前記アーム部の先端に連なるベース部（例えば、後述する実施例におけるベース部８２）と、前記ベース部の外周に設けられた嵌合突起（例えば、後述する実施例における嵌合突起８３）とを備え、前記セパレータは前記溝とは別に該溝に連なる固定用凹部（例えば、後述する実施例における固定用凹部６４）を備え、前記シール部材の前記シール部は、該シール部の全幅よりも大きい全幅を有する前記セパレータの前記溝に遊挿され、前記固定部は、前記嵌合突起を弾性圧縮することにより、前記ベース部を、前記嵌合突起の外径よりも小さい内径を有する前記セパレータの前記固定用凹部に嵌め込んで固定されており、前記シール部は、前記溝の幅方向中央に配置されるボディ部（例えば、後述する実施例におけるボディ部７３）と、該ボディ部の両側から一体的に延びて溝の幅方向両端部に配置される１対の脚部（例えば、後述する実施例における脚部７４）とを備え、前記溝に当接する底面側の前記ボディ部と前記脚部との間には、シール部自身の弾性変形を逃がすための弾性変形逃がし凹部（例えば、後述する実施例における弾性変形逃がし凹部７５）が設けられており、前記ボディ部の上面（例えば、後述する実施例における上面７２）は前記セパレータの表面（例えば、後述する実施例における面３１）から所定寸法突出する平坦面に形成され、前記固定部の上面（例えば、後述する実施例における上面８１ａ，８２ａ）は前記セパレータの表面と面一にされ、前記弾性変形逃がし凹部は前記シール部の長手方向に沿って全長に亘って形成されていることを特徴とする燃料電池用シール構造である。
このように構成することにより、シール機能を受け持つシール部と、固定機能を受け持つ固定部とを別に設けたので、固定部の取り付け具合がシール性能に影響を及ぼすのを防止することができる。例えば、接着剤を用いてシール部材の固定部をセパレータの取り付け凹部に接合する場合に、はみ出した接着剤がシール部に付着することもないし、シール部に弾性変形逃がし凹部を設けた場合に接着剤が弾性変形逃がし凹部を塞ぐこともない。
また、シール部材のシール部をセパレータの溝に遊挿し、シール部材の固定部をセパレータの固定用凹部に弾性圧縮して嵌め込むことで、シール部材をセパレータに固定することができる。
また、燃料電池を組み立てたときに、シール部材のシール部の弾性変形を弾性変形逃がし凹部と溝との間の空間に逃がす（換言すると、この空間で吸収する）ことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定部および前記固定用凹部を複数備え、複数の前記固定部および前記固定用凹部の一部は、前記セパレータの面内方向において左右非対称に配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、シール部材の誤装着を防止することができる。

請求項１に係る発明によれば、固定部の取り付け具合がシール性能に影響を及ぼすのを防止することができるので、所望のシール面圧を得ることができ、良好なシール性、耐久性を得ることができる。また、小さな締め付け力で、シール部の弾性変形量を大きく確保することができるとともに、弾性変形量を確保するための面圧（シール面圧）を抑えることができ、シール部材の耐久性が向上する。
請求項２に係る発明によれば、シール部材の誤装着を防止することができるので、生産性が向上する。

以下、この発明に係る燃料電池のシール部材の実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池スタック１の概略斜視図であり、燃料電池スタック１は、高さ方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。なお、この実施例において、燃料電池スタック１および単位セル１０はいずれも燃料電池を構成する。

図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を設けて構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂはカーボン製で、前記構成の単位セル１０を積層してなる燃料電池スタック１では、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接する（図３参照）。

図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左端部には、使役前の冷却水（冷媒）が流通する２つの冷却水供給口１５，１５が縦列に並んで設けられ、対称位置である右端部には、使役後の冷却水が流通する２つの冷却水排出口１６，１６が縦列に並んで設けられている。冷却水供給口１５，１５と冷却水排出口１６，１６は、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方であって、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方に配置されている。

これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５，１５、冷却水排出口１６，１６は、単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタック１として組み立てられた状態において、後述するシール部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを介して各供給口１１，１３，１５，１５毎、各排出口１２，１４，１６，１６毎に連通して、分配流路もしくは集合流路として機能し、それぞれ一方のエンドプレート９０Ａに設けられた燃料ガス供給口９１、アノードオフガス排出口９２、酸化剤ガス供給口９３、カソードオフガス排出口９４、冷却水供給口９５，９５、冷却水排出口９６，９６に連通し、他方のエンドプレート９０Ｂによって先端を閉塞されている。

そして、燃料ガス供給口９１に燃料ガスを、酸化剤ガス供給口９３に酸化剤ガスを、冷却水供給口９５，９５に冷却水を、それぞれ図示しないマニホールドを介して供給可能に構成されており、また、アノードオフガス排出口９２から排出されるアノードオフガス、カソードオフガス排出口９４から排出されるカソードオフガス、冷却水排出口９６，９６・・・から排出される冷却水を、それぞれ図示しないマニホールドを介して排出可能に構成されている。

図４に示すように、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０のアノード電極２２に対向する面３１には、燃料ガスをアノード電極２２に沿って流通させるための燃料ガス通路凹部３２が平面視略矩形に形成され、燃料ガス通路凹部３２内には燃料ガスが上から下へ流れるように案内するガイド突条３３が複数平行に設けられている。
図５に示すように、アノード側セパレータ３０Ａにおいてカソード側セパレータ３０Ｂに対向する面３４には、冷却水を両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間に流通させるための冷却水通路凹部３５が平面視略矩形に形成され、冷却水通路凹部３５内には冷却水が左から右へ流れるように案内するガイド突条３６が複数平行に設けられている。
アノード側セパレータ３０Ａには、燃料ガス供給口１１に近接して、このアノード側セパレータ３０Ａを貫通する燃料ガス入口流通孔３７が複数設けられている。燃料ガス入口流通孔３７の一端は面３１の燃料ガス通路凹部３２に連通し、他端は面３４における冷却水通路凹部３５の外側で開口して、面３４に設けられた燃料ガス流路溝３８を介して燃料ガス供給口１１に連通している。
アノード側セパレータ３０Ａには、アノードオフガス排出口１２に近接して、このアノード側セパレータ３０Ａを貫通するアノードオフガス出口流通孔３９が複数設けられている。アノードオフガス出口流通孔３９の一端は面３１の燃料ガス通路凹部３２に連通し、他端は面３４における冷却水通路凹部３５の外側で開口して、面３４に設けられたアノードオフガス流路溝４０を介してアノードオフガス排出口１２に連通している。

また、アノード側セパレータ３０Ａには、各冷却水供給口１５に近接して、このアノード側セパレータ３０Ａを貫通する冷却水入口流通孔４１が複数設けられている。冷却水入口流通孔４１の一端は面３４における冷却水通路凹部３５に連通し、他端は面３１の燃料ガス通路凹部３２の外側で開口し、面３１に設けられた冷却水流路溝４２を介して冷却水供給口１５に連通している。
アノード側セパレータ３０Ａには、各冷却水排出口１６に近接して、このアノード側セパレータ３０Ａを貫通する冷却水出口流通孔４３が複数設けられている。冷却水出口流通孔４３の一端は面３４における冷却水通路凹部３５に連通し、他端は面３１の燃料ガス通路凹部３２の外側で開口し、面３１に設けられた冷却水流路溝４４を介して冷却水排出口１６に連通している。

図６に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて膜電極構造体２０のカソード電極２３に対向する面５１には、酸化剤ガスをカソード電極２３に沿って流通させるための酸化剤ガス通路凹部５２が平面視略矩形に形成され、酸化剤ガス通路凹部５２内には酸化剤ガスが上から下へ流れるように案内するガイド突条５３が複数平行に設けられている。なお、図７に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいてアノード側セパレータ３０Ａに対向する面５４は平坦面に形成されている。

カソード側セパレータ３０Ｂには、酸化剤ガス供給口１３に近接して、このカソード側セパレータ３０Ｂを貫通する酸化剤ガス入口流通孔５５が複数設けられている。酸化剤ガス入口流通孔５５の一端は面５１の酸化剤ガス通路凹部５２に連通し、他端は面５４においてアノード側セパレータ３０Ａの冷却水通路凹部３５に対応する領域の外側で開口して、面３４に設けられた酸化剤ガス流路溝５６を介して酸化剤ガス供給口１３に連通している。
カソード側セパレータ３０Ｂには、カソードオフガス排出口１４に近接して、このカソード側セパレータ３０Ｂを貫通するカソードオフガス出口流通孔５７が複数設けられている。カソードオフガス出口流通孔５７の一端は面５１の酸化剤ガス通路凹部５２に連通し、他端は面５４においてアノード側セパレータ３０Ａの冷却水通路凹部３５に対応する領域の外側で開口して、面３４に設けられたカソードオフガス流路溝５８を介してカソードオフガス排出口１４に連通している。

図４に示すように、アノード側セパレータ３０Ａの面３１には、燃料ガス通路凹部３２の外側を取り囲むとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５および冷却水入口流通孔４１、冷却水排出口１６および冷却水出口流通孔４３の外側をそれぞれ取り囲む溝６１が設けられており、この溝６１にシール部材７０Ａが装着されている。このシール部材７０Ａは積層状態において膜電極構造体２０のアノード電極２２側の面に密接する。
図５に示すように、アノード側セパレータ３０Ａの面３４には、冷却水通路凹部３５の外側を取り囲むとともに、燃料ガス供給口１１および燃料ガス入口流通孔３７、アノードオフガス排出口１２およびアノードオフガス出口流通孔３９、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６の外側をそれぞれ取り囲む溝６２が設けられており、この溝６２にシール部材７０Ｂが装着されている。このシール部材７０Ｂは積層状態においてカソード側セパレータ３０Ｂの面５４に密接する。
図６に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂの面５１には、酸化剤ガス通路凹部５２の外側を取り囲むとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５、冷却水排出口１６の外側をそれぞれ取り囲む溝６３が設けられており、この溝６３にシール部材７０Ｃが装着されている。このシール部材７０Ｃは積層状態において膜電極構造体２０のカソード電極２３側の面に密接する。図４、図６に示すように、アノード側セパレータ３０Ａの面３１に装着されるシール部材７０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの面５１に装着されるシール部材７０Ｃは同一形状、同一寸法である。シール部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃについては後で詳述する。

このように構成された燃料電池スタック１では、燃料ガス供給口１１に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路溝３８を通り、燃料ガス入口流通孔３７を通って燃料ガス通路凹部３２に流入し、燃料ガス通路凹部３２を上から下に流れた後、アノードオフガス出口流通孔３９を通り、アノードオフガス流路溝４０を通ってアノードオフガス排出口１２に流出する。
また、酸化剤ガス供給口１３に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝５６を通り、酸化剤ガス入口流通孔５５を通って酸化剤ガス通路凹部５２に流入し、酸化剤ガス通路凹部５２を上から下に流れた後、カソードオフガス出口流通孔５７を通り、カソードオフガス流路溝５８を通ってカソードオフガス排出口１４に流出する。
冷却水供給口１５に供給された冷却水は、冷却水流路溝４２を通り、冷却水入口流通孔４１を通って冷却水通路凹部３５に流入し、冷却水通路凹部３５を左から右に流れた後、冷却水出口流通孔４３を通り、冷却水流路溝４４を通って冷却水排出口１６に流出する。
そして、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路凹部３５を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。

次に、シール部材７０Ａ〜７０Ｃについて詳述する。シール部材７０Ａ〜７０Ｃ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、ブチル系ゴム等の一体成形品として構成されている。前述したように、シール部材７０Ａとシール部材７０Ｃは平面視形状が同一であり、シール部材７０Ｂの平面視形状はシール部材７０Ａ，７０Ｃと異なるが、基本的な構造はいずれのシール部材７０Ａ〜７０Ｃも同じであるので、シール部材７０Ａを代表として以下に説明する。

前述したように、シール部材７０Ａはアノード側セパレータ３０Ａの面３１に形成された溝６１に装着されているのであるが、より詳細に説明すると、図９および図１０に示すように、シール部材７０Ａは、膜電極構造体２０とアノード側セパレータ３０Ａに密接するシール面を有するシール部７１と、このシール部７１から延出して設けられた固定部８０とを備えていて、溝６１に装着されるのはシール部７１であり、固定部８０は溝６１に連なる固定用凹部６４に装着されている。図４に示すように、固定用凹部６４および固定部８０は主にシール部７１の曲がり部近傍に設けられ、且つ、その一部はアノード側セパレータ３０Ａの面内方向において左右非対称な位置に配置されている。

図８に示すように、シール部７１は、溝６１の幅方向中央に配置される肉厚なボディ部７３と、ボディ部７３の両側から一体的に延びて溝６１の幅方向両端部に配置される１対の脚部７４，７４とを備えている。脚部７４の上面７４ａはアノード側セパレータ３０Ａの面３１とほぼ面一になるように設定されており、ボディ部７３の上面７２は面３１から所定寸法突出する平坦面に形成されていて、この上面７２が膜電極構造体２０に対するシール面になる。シール部７１の底面側であってボディ部７３と脚部７４，７４との間には、上面７２に圧縮力が加わったときにシール部７１自身の弾性変形を逃がすための弾性変形逃がし凹部７５，７５が形成されており、弾性変形逃がし凹部７５，７５はシール部７１の長手方向に沿って全長に亘って形成されている。ボディ部７３の中央底部７６と脚部７４の先端底部７４ｂは円弧状をなし、これらがアノード側セパレータ３０Ａに対するシール面となる。溝６１の全幅はシール部７１の全幅よりも若干大きく、シール部７１は溝６１に遊挿されるだけであって、固定されるわけではない。そして、シール部７１の上面７２に圧縮力が加わったときに脚部７４，７４が溝６１内において外側へ拡幅するのを許容する。

固定部８０は、シール部７１の脚部７４から外方に向かって（換言すると、アノード側セパレータ３０Ａの外周縁に向かって）シール部７１の長手方向に対して直角に延びる板状のアーム部８１と、アーム部８１の先端に連なる円板状のベース部８２とを備えており、ベース部８２の外周にはその高さ方向ほぼ中間に嵌合突起８３が全周に亘って設けられている。アーム部８１の上面８１ａおよびベース部８２の上面８２ａは脚部７４の上面７４ａと面一にされている。なお、嵌合突起８３は周方向間欠的に設けられていてもよい。

この固定部８０が挿入される固定用凹部６４がアノード側セパレータ３０Ａの面３１に形成されている。固定用凹部６４は、固定部８０のアーム部８１が遊挿されるアーム部挿入凹部６５と、ベース部８２が嵌合されるベース部嵌合凹部６６とを備えている。
アーム部挿入凹部６５の深さはアーム部８１の厚みとほぼ同寸法に設定されており、アーム部８１をアーム部挿入凹部６５に挿入したときにアーム部８１の上面８１ａはアノード側セパレータ３０Ａの面３１とほぼ面一になる。アーム部挿入凹部６５の幅寸法はアーム部８１の幅寸法よりも若干大きく、アーム部８１の挿入を容易にしている。
ベース部嵌合凹部６６の内径はベース部８２における嵌合突起８３の外径よりも若干小さく、嵌合突起８３を弾性圧縮することによりベース部８２をベース部嵌合凹部６６に嵌め込んで固定することができるようにされている。ベース部嵌合凹部６６の深さはベース部８２の厚みとほぼ同寸法に設定されており、ベース部８２をベース部嵌合凹部６６に嵌合したときにベース部８２の上面８２ａはアノード側セパレータ３０Ａの面３１とほぼ面一になる。

このシール部材７０Ａにおいては、シール部７１をアノード側セパレータ３０Ａの溝６１に挿入し、ベース部８２をベース部嵌合凹部６６に嵌め込んで固定部８０を固定用凹部６４に固定することにより、シール部材７０Ａをアノード側セパレータ３０Ａの面３１に固定することができる。このように、シール部材７０Ａではシール機能を受け持つシール部７１と、固定機能を受け持つ固定部８０とを別に設けたので、固定部８０がシール性能に影響を及ぼすことがない。つまり、シール部材７０Ａをアノード側セパレータ３０Ａに装着したときに、シール部材７０Ａの弾性変形逃がし凹部７５と溝６１との間の空間を確実に確保することができるので、単位セル１０を複数積層して締め付け燃料電池スタック１を組み立てたときに、シール部材７０Ａのシール部７１の弾性変形を弾性変形逃がし凹部７５と溝６１との間の空間に逃がす（換言すると、この空間で吸収する）ことができる。これにより、小さな締め付け力で、シール部７１の弾性変形量を大きく確保することができるとともに、弾性変形量を確保するための面圧（シール面圧）を抑えることができる。その結果、従来に比較して燃料電池スタック１の締め付け力を小さくすることができ、しかも、所望のシール面圧を得ることができ、高いシール性を確保することができる。また、シール面圧を抑えることができるので、シール部材７０Ａの耐久性も向上する。

また、この実施例では、固定用凹部６４および固定部８０の一部が左右非対称な位置に配置されているので、シール部材７０Ａの表裏を逆にして左右が逆の状態でアノード側セパレータ３０Ａに装着しようとした場合には、固定用凹部６４と固定部８０の位置が一致せず固定できないので、シール部材７０Ａの表裏が逆であることを直ぐに発見でき、シール部材７０Ａの誤装着を確実に防止することができる。また、シール部材７０Ａの表裏を逆にして上下が逆の状態でアノード側セパレータ３０Ａに装着しようとした場合には、固定用凹部６４と固定部８０の位置は一致するものの、シール部材７０Ａのベース部８２がアノード側セパレータ３０Ａから離反する方向に突出するため、ベース部８２をアノード側セパレータ３０Ａのベース部嵌合凹部６６に嵌め込むことができない。したがって、この場合にもシール部材７０Ａの表裏が逆であることを直ぐに発見でき、シール部材７０Ａの誤装着を確実に防止することができる。

なお、前述した嵌合突起８３をベース部嵌合凹部６６に嵌め込み固定するのに加えて、ベース部８２の底面を接着剤によってベース部嵌合凹部６６の底面に接合し、シール部材７０Ａのアノード側セパレータ３０Ａへの固定をより確実にすることも可能である。このようにしても、接着剤はベース部嵌合凹部６６内に留まり、接着剤が溝６１内に浸入することはないので、シール部材７０Ａの弾性変形逃がし凹部７５と溝６１との間の空間を確実に確保することができ、前述同様の作用・効果を得ることができる。

次に、この発明に係る燃料電池用シール構造に関連する技術の参考例を図１１から図１４の図面を参照して説明する。
＜参考例１＞
図１１および図１２を参照してシール部材７０Ａの参考例１を説明する。
実施例１のシール部材７０Ａにおいては、固定部８０に嵌合突起８３を設けているため、固定部８０のベース部８２をシール部７１よりも下方に突出させる必要があり、アノード側セパレータ３０Ａにはベース部８２を嵌め込むためのベース部嵌合凹部６６を設けなければならない。そのため、アノード側セパレータ３０Ａにはベース部嵌合凹部６６を形成可能なだけの厚みが必要である。
参考例１のシール部材７０Ａは、嵌合凹部６６を設けることができない薄型のアノード側セパレータ３０Ａにも取り付けることができるように構成した。

参考例１におけるシール部材７０Ａのシール部７１は前述した実施例１のものと同じであり、シール部７１が挿入されるアノード側セパレータ３０Ａの溝６１も実施例１のものと同じである。参考例１におけるシール部材７０Ａが実施例１のものと相違する点は固定部８０にあり、これに伴いアノード側セパレータ３０Ａの面３１に設けられる固定用凹部６４が相違する。
参考例１におけるシール部材７０Ａの固定部８０は、シール部７１の脚部７４から外方に向かって（換言すると、アノード側セパレータ３０Ａの外周縁に向かって）シール部７１の長手方向に対して直角に延びる薄板舌片状をなし、その厚みは脚部７４の厚みと同一にされている。
この固定部８０が挿入される固定用凹部６４がアノード側セパレータ３０Ａの面３１に固定部８０と相似形に形成されている。固定用凹部６４の平面視寸法は固定部８０の平面視寸法よりも若干大きく設定されており、固定部８０の挿入を容易にしている。固定用凹部６４の深さは固定部８０の厚みよりも接着剤層の厚み分だけ大きく設定されている。

参考例１のシール部材７０Ａにおいては、シール部７１をアノード側セパレータ３０Ａの溝６１に挿入し、固定部８０を固定用凹部６４に挿入するが、固定部８０を挿入する際に固定部８０の底面あるいは固定用凹部６４の底面に接着剤８５を塗布しておき、固定部８０と固定用凹部６４とを接着剤８５で固定する。このとき固定部８０の上面８０ａはアノード側セパレータ３０Ａの面３１とほぼ面一になる。

この参考例１のシール部材７０Ａにおいても、シール機能を受け持つシール部７１と、固定機能を受け持つ固定部８０とを別に設けたので、固定部８０がシール性能に影響を及ぼすことがない。つまり、固定部８０を固定用凹部６４に固定するための接着剤８５は固定用凹部６４内に留まり、接着剤８５が溝６１内に浸入することはないので、シール部材７０Ａの弾性変形逃がし凹部７５と溝６１との間の空間を確実に確保することができる。
したがって、参考例１においても実施例１の場合と同様に、小さな締め付け力でシール部７１の弾性変形量を大きく確保することができるとともに、弾性変形量を確保するための面圧（シール面圧）を抑えることができる。その結果、従来に比較して燃料電池スタック１の締め付け力を小さくすることができ、しかも、所望のシール面圧を得ることができ、高いシール性を確保することができる。また、シール面圧を抑えることができるので、シール部材７０Ａの耐久性も向上する。

また、この参考例１においても実施例１の場合と同様に固定用凹部６４および固定部８０の一部を左右非対称な位置に配置しておくと、シール部材７０Ａの表裏を逆にして左右が逆の状態でアノード側セパレータ３０Ａに装着しようとした場合には、固定部８０と固定用凹部６４の位置が一致せず固定できないので、シール部材７０Ａの表裏が逆であることを直ぐに発見でき、シール部材７０Ａの誤装着を確実に防止することができる。また、シール部材７０Ａの表裏を逆にして上下が逆の状態でアノード側セパレータ３０Ａに装着しようとした場合には、固定部８０と固定用凹部６４の位置は一致するものの、固定部８０が固定用凹部６４から離間してしまうので、シール部材７０Ａの表裏が逆であることを直ぐに発見でき、シール部材７０Ａの誤装着を確実に防止することができる。

なお、図１３および図１４に示すように、固定用凹部６４の中央に例えば平面視円形の接着剤溜まり凹部６７を設け、ここに接着剤８５を塗布して固定部８０を固定用凹部６４に固定するようにしてもよい。このようにすると、接着剤８５が固定用凹部６４から漏洩するのをより確実に防止することができる。また、固定部８０の上面８０ａの平坦度を高めることができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。例えば、シール部材７０Ａ〜７０Ｃの平面視形状はこの実施例の形態に限るものではない。

この発明に係るシール部材が組み込まれた燃料電池スタックの概略斜視図である。前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。燃料電池スタックの積層状態を示す部分断面図である。前記単位燃料電池を構成するアノード側セパレータの背面図である。前記アノード側セパレータの正面図である。前記単位燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面図である。前記カソード側セパレータの背面図である。この発明に係る実施例１におけるシール部材のシール部の取り付け状態を示す断面図（図４Ｘ−Ｘ断面図）である。実施例１におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す平面図である。実施例１におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す断面図（図４Ｙ−Ｙ断面図）である。この発明に係る燃料電池用シール構造に関連する技術の参考例１におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す平面図である。参考例１におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す断面図である。参考例１の変形例におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す平面図である。前記変形例におけるシール部材の固定部の取り付け状態を示す断面図である。従来のシール部材の取り付け状態を示す断面図である。

符号の説明

１燃料電池スタック（燃料電池）
１０単位セル（燃料電池）
２０膜電極構造体
２１固体高分子電解質膜（電解質膜）
２２アノード電極
２３カソード電極
６１溝
６４固定用凹部
７０Ａ〜７０Ｃシール部材
７１シール部
８０固定部

Claims

電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、この膜電極構造体をその両側から一対のセパレータで挟持して構成される燃料電池の当該セパレータの溝にシール部材が装着された燃料電池用シール構造であって、
前記シール部材は、シール面を有するシール部と、このシール部に連なる固定部とを備え、前記固定部は、前記シール部の長手方向に対して直角に延びる板状のアーム部と、前記アーム部の先端に連なるベース部と、前記ベース部の外周に設けられた嵌合突起とを備え、前記セパレータは前記溝とは別に該溝に連なる固定用凹部を備え、前記シール部材の前記シール部は、該シール部の全幅よりも大きい全幅を有する前記セパレータの前記溝に遊挿され、前記固定部は、前記嵌合突起を弾性圧縮することにより、前記ベース部を、前記嵌合突起の外径よりも小さい内径を有する前記セパレータの前記固定用凹部に嵌め込んで固定されており、
前記シール部は、前記溝の幅方向中央に配置されるボディ部と、該ボディ部の両側から一体的に延びて溝の幅方向両端部に配置される１対の脚部とを備え、前記溝に当接する底面側の前記ボディ部と前記脚部との間には、シール部自身の弾性変形を逃がすための弾性変形逃がし凹部が設けられており、
前記ボディ部の上面は前記セパレータの表面から所定寸法突出する平坦面に形成され、
前記固定部の上面は前記セパレータの表面と面一にされ、
前記弾性変形逃がし凹部は前記シール部の長手方向に沿って全長に亘って形成されていることを特徴とする燃料電池用シール構造。
前記固定部および前記固定用凹部を複数備え、複数の前記固定部および前記固定用凹部の一部は、前記セパレータの面内方向において左右非対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用シール構造。