JP5128068B2 - 燃料電池用シール構造 - Google Patents

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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 (2)

  1. 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。
  2. 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。
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