(57)【要約】【課題】発電セルのピッチが変動しても、発電セルに掛かる荷重が変動し難いガスケット構造を提供することを目的とする。【解決手段】発電セル２０に形成された開口部１１０の周りに配置されるガスケット構造であって、第１の発電セル２０に接触する第１の接触部分１７０と前記開口部１１０との第１の距離Ｌ２が、第２の発電セル２０に接触する第２の接触部分１２０と前記開口部１１０の第２の距離Ｌ３と異なっているガスケット構造体２００を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルに形成された開口部の周りに配置されるガスケット構造であって、
第１の発電セルに接する第１の端部と前記開口部との第１の距離が、第２の発電セルに接する第２の端部と前記開口部の第２の距離と異なっているガスケット部材を備える、ガスケット構造。
【請求項２】
請求項１に記載のガスケット構造において、
前記ガスケット部材は、前記開口部を貫通する方向に沿って切断されたときの断面の形状がハの字形形状を有する、ガスケット構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガスケット構造において、
前記ガスケット部材は、
硬質材で形成された心材と、
前記心材を包む、軟質材で形成されたシール材とを備える、
ガスケット構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスケット構造において、
前記発電セルは、前記ガスケット部材と接触する部分に、前記ガスケット部材の位置決めのための凹凸形状を備える、ガスケット構造。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスケット構造であって、
前記ガスケット部材は、前記第１と第２の発電セルの間に設けられたセパレータと一体に形成されている、ガスケット構造。  
【請求項６】
燃料電池であって、
発電セルと、
請求項１から請求項５のいずれかに記載のガスケット構造とを備える、燃料電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特にガスケットの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、セパレータとセパレータとの間からの反応ガスの漏れを抑制するために、セパレータとセパレータとの間にガスケットを備えている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４３７９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池を長期間運転させると、燃料電池スタックの全長が変動して発電セルのピッチが変動する場合がある。また、外部からの衝撃により、発電セルがずれて、発電セルのピッチが変動する場合がある。従来の技術では、発電セルのピッチが変動すると、発電セルに掛かる荷重が大きく変動するという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、発電セルのピッチが変動しても、発電セルに掛かる荷重が変動し難いガスケット構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
発電セルに形成された開口部の周りに配置されるガスケット構造であって、第１の発電セルに接する第１の端部と前記開口部との第１の距離が、第２の発電セルに接する第２の端部と前記開口部の第２の距離と異なっているガスケット部材を備える、ガスケット構造。
発電セルに荷重をかけると、ガスケットが変形して反力が発生する。この適用例によれば、ガスケットの変形の範囲が一定の範囲であれば、Ｏリングを用いる場合に比べて反力の変化が小さくなる。したがって、発電セルのピッチが変動しても、発電セルに掛かる荷重が変動し難いガスケット構造を提供することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のガスケット構造において、
前記ガスケット部材は、前記開口部を貫通する方向に沿って切断されたときの断面の形状がハの字形形状を有する、ガスケット構造。
この適用例によれば、第１の発電セルに接触する第１の接触部分と前記開口部との第１の距離が、第２の発電セルに接触する第２の接触部分と前記開口部の第２の距離とを異ならせることを容易に実現することが可能である。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のガスケット構造において、前記ガスケット部材は、  硬質材で形成された心材と、前記心材を包む、軟質材で形成されたシール材とを備える、
ガスケット構造。
この適用例によれば、硬質材の変形に対する復元力を用いて発電セルに対する反力を発生させることができる。また、シール材と発電セルとの接触によりシール性が担保される。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれかに記載のガスケット構造において、前記発電セルは、前記ガスケット部材と接触する部分に、前記ガスケット部材の位置決めのための凹凸形状を備える、ガスケット構造。
この適用例によれば、ガスケットの横ずれを抑制することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１から適用例３のいずれかに記載のガスケット構造であって、前記ガスケット部材は、前記第１と第２の発電セルの間に設けられたセパレータと一体に形成されている、ガスケット構造。
この適用例によれば、ガスケットとセパレータを一体に形成できるので、構成部品の数を少なくすることが可能となる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスケット構造の他、燃料電池等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、燃料電池スタックを示す説明図である。燃料電池スタック１０は、発電セル２０と、エンドプレート３０とテンションロッド４０とナット５０を備える。発電セル２０は、複数あり、積層されている。発電セル２０の構成については後述する。エンドプレート３０は、積層された発電セル２０の両側に配置されている。テンションロッド４０及びナット５０は、２枚のエンドプレート３０の間隔を一定の長さ（Ｌ１）に固定する。これにより、発電セル２０に一定の締結荷重を加えている。
【００１４】
図２は、セパレータとガスケットの平面図を示す説明図である。同図では、セパレータ１００とその上に配置されるガスケット２００が描かれている。セパレータ１００は、発電セル２０の一方の面に配置されている部材である。なお、発電セル２０の他方の面にはセパレータ１５０（同図では図示せず）が配置されている。セパレータ１００は、略四角形形状を有しており、外縁部に複数の開口部１１０を備える。開口部１１０は、燃料ガス、酸化ガス、冷媒を供給、排出するためのマニホールドを形成する。ガスケット２００は、開口部１１０の周りに配置されている。
【００１５】
図３は、図２における３−３切断線による断面を示す説明図である。同図に示す断面は、開口部１１０の長手方向と垂直な切断線で切った断面である。発電セル２０は、セパレータ１００、１５０と、電解質膜３００と、ガス拡散層３１０と、フレーム４００とを備える。電解質膜３００は、アノード極で生成されたプロトンを、カソード極に移動させるための膜である。電解質膜３００として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜３００の両面には、触媒層（図示せず）が形成されている。触媒として、例えば、白金触媒や、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。触媒は、例えばカーボン粒子上に担持され、電解質膜３００の表面に塗布されて、触媒層を形成している。ガス拡散層３１０は、電解質膜３００の両面に配置されている。ガス拡散層３１０として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。また、ガス拡散層３１０として、金属製や樹脂製の多孔体を用いることも可能である。フレーム４００は、電解質膜３００の外縁部に形成され、電解質膜３００を支持している。フレーム４００は、例えば、樹脂やゴムなどにより形成されている。
【００１６】
セパレータ１００、１５０は、ガス拡散層３１０の外側に配置されている。セパレータ１００、１５０は、中央部に凹凸形状を有する。以下、セパレータ１００、１５０の凹凸形状について、電解質膜３００と反対側に突き出た部分をそれぞれ凸部１０２、１５２と呼び、凸部１０２、１５２から見て電解質膜３００側に突き出た部分をそれぞれ凹部１０３、１５３と呼ぶ。セパレータ１００の凸部１０２と、セパレータ１５０の凸部１５２とは、互いに接触しており、セパレータ１００とセパレータ１５０とを電気的に導通させている。セパレータ１００の凸部１０２とガス拡散層３１０との間には、反応ガス流路５００が形成され、セパレータ１５０の凸部１５２とガス拡散層３１０との間には、反応ガス流路５１０が形成されている。また、セパレータ１００の凹部１０３とセパレータ１５０の凹部１５３との間には、冷媒流路５２０が形成されている。
【００１７】
セパレータ１００とセパレータ１５０の外縁部の間には、ガスケット２００が配置されている。ガスケット２００は、同図に示す断面では、開口部１１０を貫通する方向に沿って切断されており、その断面の形状がハの字形形状を有している。ガスケット２００の両端部は、それぞれ、セパレータ１００、１５０と接触している。
【００１８】
図４は、図３のガスケットの近傍を拡大して示す説明図である。ガスケット２００は、心材２１０とシール材２２０とを備える。心材２１０は、例えば、金属などの硬質の弾性材料で形成されている。心材２１０に硬質材料を用いるのは、硬質材料の変形に対する復元力を用いてセパレータ１００、１５０に対する反力を発生させるためである。シール材２２０は、心材２１０を被覆するように設けられている。シール材２２０は、心材よりも柔らかな軟質材で形成されている。シール材２２０に軟質材を用いるのは、シール材２２０とセパレータ１００、１５０とを密着させ、シール効果を向上させるためである。シール材２２０として、例えば、ゴムや樹脂を用いることが可能である。なお、シール材２００は省略してもよい。
【００１９】
ガスケット２００の両端は、セパレータ１００、１５０と接触している。発電セル２０が締結されると、セパレータ１００、１５０の間隔が狭まるので、ガスケット２００は、平たくなる方向に変形させられる。その結果、ガスケットは元の斜め形状に戻ろうとしてガスケット２００とセパレータ１００の間、及びガスケット２００とセパレータ１５０の間に、反力を発生させる。この反力により、ガスケット２００とセパレータ１００の間、及びガスケット２００とセパレータ１００間がシールされ、反応ガスや冷媒の漏れを抑制する。
【００２０】
図５は、図２における５−５切断線による断面を示す説明図である。同図に示す断面は、開口部１１０の長手方向と平行な切断線で切った断面である。この切断面においても、ガスケット２００は、開口部１１０を挟む２つの斜面の形状がハの字形形状となる斜面を有している。
【００２１】
図６は、セパレータのガスケットとの接触部分を示す説明図である。セパレータ１００とガスケット２００との接触部分１２０、及びセパレータ１５０とガスケット２００との接触部分１７０は、いずれも四角形の額縁形状を有している。また、開口部１１０と接触部分１２０との間隔Ｌ３は、開口部１１０と接触部分１７０との間隔Ｌ２よりも大きくなっている。こうすることにより、図２における３−３切断線による断面でのガスケット２００の形状、及び３−３切断線による断面でのガスケット２００の形状を、いずれもハの字形形状にすることが可能となる。
【００２２】
図７は、ガスケットの変形量と、発電セルに掛かる荷重の関係を示す説明図である。同図では、本実施例のガスケット２００を用いた場合の特性と、ガスケットとしてＯリングを用いたときの特性が示されている。ガスケットとしてＯリングを用いた場合には、ガスケットの変形量が少なくなると、発電セル２０に掛かる荷重が急に小さくなる。一方、ガスケットの変形量が大きくなると、発電セル２０に掛かる荷重が急に大きくなる。これに対し、本実施例では、ガスケット２００の変形量が小さくなっても（発電セルのピッチが大きくなっても）、ある範囲内では、発電セル２０に掛かる荷重が一定の範囲内に維持される。逆に、ガスケット２００の変形量が大きくなっても（発電セルのピッチが小さくなっても）、ある範囲内では、発電セル２０に掛かる荷重が一定の範囲内に維持されている。すなわち、発電セル２０のピッチが変動しても、ある範囲内であれば、発電セル２０に掛かる荷重が変動し難くすることが可能である。これにより、燃料電池スタック１０の発電効率の変動を抑えることが出来、燃料電池スタック１０は、安定した発電出力を出すことが可能となる。なお、このように、発電セル２０のピッチが変動しても、その変動量がある範囲内であれば、発電セル２０の掛かる荷重が変動し難くするためには、ガスケット２００が、皿バネ特性を備えていることが好ましい。但し、ガスケット２００としては、Ｏリングに比べて荷重（反力）の変動が小さいものを採用可能である。
【００２３】
図８は、ガスケットの製造工程の一例を示す説明図である。工程（Ａ）では、金属製の平板を、プレスにて打ち抜き、額縁状の心材２１０を形成する。次に、工程（Ｂ）では、シール材２２０で心材２１０に包む。次に工程（Ｃ）において、プレスにより、対抗する辺がハの字形形状になるように、変形させる。この製造方法では、ハの字形形状に変形させる前にシール材２２０で心材２１０を包んでいる。そのため、シール材２２０で心材２１０を包む工程を容易に行うことができる。
【００２４】
図９は、ガスケットの製造工程の別の例を示す説明図である。工程（Ａ）では、金属製の平板を、プレスを用いて打ち抜いて、額縁状の心材２１０を形成する。次に、工程（Ｂ）では、プレスにより、対抗する辺がハの字形形状になるように、変形させる。次に工程（Ｃ）において、シール材２２０で心材２１０に包む。この製造方法では、シール材２２０で心材２１０を包む前に心材２１０をハの字形形状に変形させている。こうすると、単品の状態で心材２１０を変形させるので、変形における加工精度を高めることができる。なお、工程（Ａ）と工程（Ｂ）を同時に行っても良い。
【００２５】
図１０は、ガスケットの他の形状の例を示す説明図である。同図（Ａ）は、ガスケット２００がＶ字形形状を有している。なお、ガスケット２００が逆Ｖ字形形状を有していてもよい。同図（Ｂ）は、ガスケット２００が、逆Ｕ字形形状を有している。なお、ガスケット２００がＵ字形形状を有していてもよい。このように、ガスケット２００の形状をＶ字形形状やＵ字形形状にすることにより、ガスケット２００に、皿バネ特性を備えさせることが可能となる。その結果、発電セル２０のピッチが変動しても、ある範囲内であれば、発電セル２０に掛かる荷重を変動し難くすることが可能となる。また、Ｖ字形形状やＵ字形形状とすることで、ハの字形形状よりもガスケット２００の剛性を高めることが可能となる。
【００２６】
以上、本実施例によれば、開口部１１０と接触部分１２０との間隔Ｌ３を、開口部１１０と接触部分１７０との間隔Ｌ２よりも大きくなるように構成しているので、ガスケット２００をハの字形形状にすることができる。その結果、ガスケット２００が変形しても、発電セル２０に掛かる荷重を一定の範囲内に維持することが可能となる。なお、ガスケット２００の形状は、ハの字形形状に限られず、Ｖ字形形状や、Ｕ字形形状であってもよい。
【００２７】
図１１は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例では、セパレータ１００、１５０はガスケット２００と接する部分にそれぞれ凹凸形状１０４、１０５と１５４、１５５を備える。凹凸形状１０４、１０５、１５４、１５５により、ガスケット２００の位置決めが容易となる。また、ガスケット２００の横ずれを抑制することが可能となる。なお、セパレータ１００または１５０の双方が凹凸形状１０４、１０５あるいは１５４、１５５を備える必要はなく、いずれか一方のセパレータのみが凹凸形状を備えていればよい。また、セパレータ１００、１５０は、内側の凹凸形状１０４，１５４のみ備えていてもよく、あるいは、外側の凹凸形状１０５、１５５のみ備えていてもよい。
【００２８】
図１２は、第３の実施例を示す説明図である。第３の実施例では、セパレータ１００と１５０の間に独立したガスケット２００を備えていない。その代わり、セパレータ１００の開口部１１０の周りの一部が、発電セル２０の外側に折れ曲がっており、これによってガスケット部１０６が形成されている。ガスケット部１０６は、シール材２２０によって包まれている。言うなれば、第３の実施例は、第１の実施例に示すガスケット２００とセパレータ１００とが一体になっている構造を有している。このように構成しても、発電セル２０のピッチが変動しても、その変動量がある範囲内であれば、発電セル２０に掛かる荷重の変動を抑制することが可能である。また、セパレータ１００の成形と同時にガスケット構造を形成することが可能となる。さらに、本実施例では、独立したガスケット２００を用いないため、部品点数を少なくすることも可能である。
【００２９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】燃料電池スタックを示す説明図である。
【図２】セパレータとガスケットの平面図を示す説明図である。
【図３】図２における３−３切断線による断面を示す説明図である。
【図４】図３のガスケットの近傍を拡大して示す説明図である。
【図５】図２における５−５切断線による断面を示す説明図である。
【図６】セパレータのガスケットとの接触部分を示す説明図である。
【図７】ガスケットの変形量と、発電セルに掛かる荷重の関係を示す説明図である。
【図８】ガスケットの製造工程の一例を示す説明図である。
【図９】ガスケットの製造工程の別の例を示す説明図である。
【図１０】ガスケットの他の形状の例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施例を示す説明図である。
【図１２】第３の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…燃料電池スタック
２０…発電セル
３０…エンドプレート
４０…テンションロッド
５０…ナット
１００…セパレータ
１０２…凸部
１０３…凹部
１０４、１０５…凹凸形状
１０６…ガスケット部
１１０…開口部
１２０…接触部分
１５０…セパレータ
１５２…凸部
１５３…凹部
１７０…接触部分
２００…ガスケット
２１０…心材
２２０…シール材
３００…電解質膜
３１０…ガス拡散層
４００…フレーム
５００…反応ガス流路
５１０…反応ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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