(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の厚さ方向一側面にアノードを設け他側面にカソードを設けた膜−電極複合体を有する発電体と、ガスケットを一体に設けたセパレータが、その厚さ方向に交互に積層され、前記セパレータは、その厚さ方向一側に配置された発電体のアノード側との間に反応ガス流路を形成するアノード側プレートと、他側に配置された発電体のカソード側との間に反応ガス流路を形成すると共に前記アノード側プレートとの間に冷媒流路を形成するカソード側プレートが、前記ガスケットの一部を介して互いに一体的に連結され、前記ガスケットが、前記発電体の外周部に密接される第一のシール突条と、前記発電体の縁部よりも外側で隣接するガスケット又はセパレータと密接される第二のシール突条と、前記アノード側プレートとカソード側プレートに厚さ方向対称に形成された屈曲部の間に充填形成されて前記冷媒流路を画成すると共に前記アノード側プレートとカソード側プレートの接合手段を兼ねる内外周一対の冷媒シール部を備え、前記第一のシール突条及び前記第二のシール突条が、前記内外周一対の冷媒シール部の間に位置することを特徴とする燃料電池の密封構造。
【請求項２】
ガスケットの一部がアノード側プレート又はカソード側プレートに開設した連通孔を通じてこのアノード側プレートとカソード側プレートの間に接着されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造を備える。図１０は、従来技術による燃料電池の密封構造を未積層状態で示す部分断面図、図１１は、同じく積層状態で示す部分断面図である。
【０００３】
これら図１０及び図１１において、参照符号１１０は、電解質膜及びその両面に設けた触媒電極層（アノード及びカソード）からなる膜−電極複合体１１１の厚さ方向両側に多孔質体からなるガス拡散層１１２，１１３を積層一体化した発電体である。そしてこの発電体１１０の厚さ方向両側にカーボンあるいは導電性金属からなるセパレータ１２０，１３０が積層されることによって、燃料電池セル１００が構成される。
【０００４】
各燃料電池セル１００において、発電体１１０における膜−電極複合体１１１の外周部は、一方のセパレータ１２０にゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で一体成形したシール突条（以下、便宜上アノード用シール突条とする）１２１と、他方のセパレータ１３０にゴム状弾性材料で一体成形したシール突条（以下、便宜上カソード用シール突条とする）１３１との間に挟持される。
【０００５】
そして、膜−電極複合体１１１におけるアノードとこれに対向した一方のセパレータ１２０との間には、アノード用シール突条１２１によって燃料ガス流路１００ａが画成され、膜−電極複合体１１１におけるカソードとこれに対向した他方のセパレータ１３０との間には、カソード用シール突条１３１によって酸化剤ガス流路１００ｂが画成される。また、一方のセパレータ１２０におけるシール突条１２１と反対側の面には冷媒用シール突条１２２がゴム状弾性材料で一体成形されており、隣接する燃料電池セル１００，１００のセパレータ１２０，１３０の間には、この冷媒用シール突条１２２によって冷媒流路１００ｃが画成される。
【０００６】
すなわちこの種の燃料電池は、各燃料電池セル１００において、燃料ガス流路１００ａを流通する燃料ガスが、ガス拡散層１１２を介して膜−電極複合体１１１のアノード側に供給され、酸化剤ガス流路１００ｂを流通する酸化剤ガス又は燃料ガスが、ガス拡散層１１３を介して膜−電極複合体１１１のカソード側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そして各燃料電池セル１００による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル１００を積層して電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、従来の燃料電池の密封構造によれば、一方のセパレータ１２０にアノード用シール突条１２１と冷媒用シール突条１２２を一体成形するほか、他方のセパレータ１３０にもカソード用シール突条１３１を一体成形する必要があり、部品数が多かった。そして積層部品が多いと、それだけスタック組立の際の組立工数が多くなるばかりでなく、各部品間の僅かな位置ずれの累積により積層誤差が大きくなりやすいといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２２２７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、燃料電池の密封構造において、ガスケットとアノード側のセパレータ及びカソード側のセパレータを一体化することによって、積層部品の減少及び積層工程の減少を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造は、電解質膜の厚さ方向一側面にアノードを設け他側面にカソードを設けた膜−電極複合体を有する発電体と、ガスケットを一体に設けたセパレータが、その厚さ方向に交互に積層され、前記セパレータは、その厚さ方向一側に配置された発電体のアノード側との間に反応ガス流路を形成するアノード側プレートと、他側に配置された発電体のカソード側との間に反応ガス流路を形成すると共に前記アノード側プレートとの間に冷媒流路を形成するカソード側プレートが、前記ガスケットの一部を介して互いに一体的に連結され、前記ガスケットが、前記発電体の外周部に密接される第一のシール突条と、前記発電体の縁部よりも外側で隣接するガスケット又はセパレータと密接される第二のシール突条と、前記アノード側プレートとカソード側プレートに厚さ方向対称に形成された屈曲部の間に充填形成されて前記冷媒流路を画成すると共に前記アノード側プレートとカソード側プレートの接合手段を兼ねる内外周一対の冷媒シール部を備え、前記第一のシール突条及び前記第二のシール突条が、前記内外周一対の冷媒シール部の間に位置するものである。
【００１２】
請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載された構成において、ガスケットの一部がアノード側プレート又はカソード側プレートに開設した連通孔を通じてこのアノード側プレートとカソード側プレートの間に接着されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、アノード側プレートとカソード側プレートが、ガスケットを一体に有する単一のセパレータとなるので、スタック組立時の積層部品数及び積層工数を大幅に削減することができると共に、積層の精度を向上することができる。
【００１５】
また、発電体の一側の反応ガス流路（例えば燃料ガス流路）を画成する第一のシール突条と、前記発電体の他側の反応ガス流路（例えば酸化剤ガス流路）を画成する第二のシール突条と、冷媒流路を画成する冷媒シール部が、アノード側プレートとカソード側プレートからなる単一のセパレータに集約して設けられるので、シール対象の異なるガスケットを複数の積層部品に成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。しかも、ガスケットのうち第一のシール突条及び第二のシール突条によって、発電体の両側の反応ガス流路を画成すると共に、ガスケットのうちアノード側プレートとカソード側プレートとの間に介在する部分によって冷媒流路を画成するため、単一のガスケットによって、互いに独立した反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）及び冷媒流路を画成することができる。
【００１６】
請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項１による効果に加え、ガスケットの成形に際して成形材料の一部が連通孔を通じてこのアノード側プレートとカソード側プレートの間に直ちに充填されるので、成形を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を未積層状態で示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を積層状態で示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の密封構造における発電体の補強構造の一例を示す部分断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の密封構造における発電体の補強構造の他の例を示す部分断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を未積層状態で示す部分断面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を積層状態で示す部分断面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態における部分的な変更例を示す部分断面図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態における他の部分的な変更例を示す部分断面図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態における他の部分的な変更例を示す部分断面図である。
【図１０】従来技術による燃料電池の密封構造を未積層状態で示す部分断面図である。
【図１１】従来技術による燃料電池の密封構造を積層状態で示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
まず図１は本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を未積層状態で示し、同じく図２は積層状態で示すもので、図の参照符号１０は、電解質膜及びその両面に設けた不図示の触媒電極層（アノード及びカソード）からなる膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１の厚さ方向両側に、多孔質体からなるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）１２，１３を積層一体化した発電体、参照符号２０はセパレータ、参照符号３０は、このセパレータ２０に一体に設けられたガスケットである。
【００２１】
発電体１０における膜−電極複合体１１は、その両側にあるガス拡散層１２，１３よりも厚さ方向の投影面積が大きく、ガス拡散層１２，１３の外周縁部は、膜−電極複合体１１の外周縁部より内周側へ後退している。したがって、発電体１０の外周部は段差状をなしていて、膜−電極複合体１１の外周部は、ガス拡散層１２，１３の縁部から張り出している。
【００２２】
また、ガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部は、図３又は図４に示されるように、少なくとも片面に合成樹脂からなる補強フィルム１４が熱圧着されており、この補強フィルム１４の内周縁は、ガス拡散層１２（及び１３）の縁部と膜−電極複合体１１の間に挟み込まれている。なお、図４のように補強フィルム１４を片面にのみ設ける場合は、後述する第一のシール突条３１によるシール面となる側に設けることが好ましい。
【００２３】
セパレータ２０は、薄肉のステンレス鋼板など導電性を有する金属からなる二枚のプレート２１，２２を積層したものであって、その厚さ方向の投影面積は、発電体１０（膜−電極複合体１１）の厚さ方向の投影面積より大きいものとなっている。なお、以下の説明では便宜上、プレート２１をアノード側、プレート２２をカソード側として説明するが、逆にプレート２１をカソード側、プレート２２をアノード側としても良い。
【００２４】
セパレータ２０を構成するプレート２１，２２のうち、このセパレータ２０の厚さ方向一側に積層される発電体１０のガス拡散層１２と対向するアノード側プレート２１は、このガス拡散層１２を厚さ方向へ投影した領域に、前記ガス拡散層１２との対向方向と反対側へ屈曲した溝部２１ａと、前記ガス拡散層１２との対向方向へ屈曲した溝部２１ｂが交互に形成されており、その外周側の、ガスケット３０が一体に設けられた領域に、このガスケット３０の幅方向両端近傍に位置して、前記溝部２１ｂと同方向へ屈曲した一対の屈曲部２１ｃ，２１ｄが形成されている。
【００２５】
また、セパレータ２０を構成するプレート２１，２２のうち、このセパレータ２０の厚さ方向他側に積層される発電体１０のガス拡散層１３と対向するカソード側プレート２２は、アノード側プレート２１と厚さ方向対称に屈曲した溝部２２ａ,２２ｂ及び屈曲部２２ｃ，２２ｄが形成されている。
【００２６】
ガスケット３０は、例えば燃料電池の使用環境下に耐え得るシリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ブチルゴムなどから選択される、電気絶縁性のゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）でセパレータ２０に一体に加硫成形されたものであって、アノード側プレート２１におけるカソード側プレート２２と反対側へ突出した第一のシール突条３１、第二のシール突条３２及びその幅方向両側の第一の短絡防止リブ３３、第二の短絡防止リブ３４と、カソード側プレート２２におけるアノード側プレート２１と反対側に形成されたフラットシール部３５と、アノード側プレート２１の屈曲部２１ｃ，２１ｄとこれに対向するカソード側プレート２２の屈曲部２２ｃ，２２ｄの間に充填形成された中間ゴム充填部３６，３７とを有する。
【００２７】
詳しくは、図１に示される未積層状態ではガスケット３０における第一のシール突条３１は山形の突出形状をなし、図２に示される積層状態では発電体１０のガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に適当なつぶし代で密接されるものである。
【００２８】
ガスケット３０における第二のシール突条３２は、第一のシール突条３１の外周側にあって、図１に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図２に示される積層状態では発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側で隣接するガスケット３０のフラットシール部３５に適当なつぶし代で密接されるもので、好ましくは、膜−電極複合体１１の厚さに相当する分だけ第一のシール突条３１よりも突出高さが高く形成されている。
【００２９】
ガスケット３０における第一のシール突条３１の内周側に形成された第一の短絡防止リブ３３は、図２に示される積層状態において発電体１０のガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に、平坦な面をもって密接されるものであって、セパレータ２０におけるアノード側プレート２１の屈曲部２１ｃを覆うように形成され、第一のシール突条３１よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ突出高さが低いものとなっている。
【００３０】
ガスケット３０における第二のシール突条３２の外周側に形成された第二の短絡防止リブ３４は、図２に示される積層状態において発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側で隣接するガスケット３０のフラットシール部３５に平坦な面をもって密接されるものであって、セパレータ２０におけるアノード側プレート２１の屈曲部２１ｄを覆うように形成され、その突出高さは、図１に示されるように第二のシール突条３２よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ低く、かつ第一の短絡防止リブ３３よりも膜−電極複合体１１の厚さに相当する分だけ高く形成されている。
【００３１】
ガスケット３０におけるフラットシール部３５は、セパレータ２０におけるカソード側プレート２２の屈曲部２２ｃから屈曲部２２ｄにかけて、アノード側プレート２１と反対側の面を覆うように、平坦な面をなして形成されている。
【００３２】
また、セパレータ２０におけるアノード側プレート２１の屈曲部２１ｃ，２１ｄにはそれぞれ連通孔２１ｅ，２１ｆが開設されており、カソード側プレート２２の屈曲部２２ｃ，２２ｄにも同様に、それぞれ連通孔２２ｅ，２２ｆが開設されている。そして、ガスケット３０における内周側の中間ゴム充填部３６は、アノード側プレート２１の屈曲部２１ｃとカソード側プレート２２の屈曲部２２ｃの間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔２１ｅ，２２ｅを介して第一の短絡防止リブ３３及びフラットシール部３５と連続しており、外周側の中間ゴム充填部３７は、アノード側プレート２１の屈曲部２１ｄとカソード側プレート２２の屈曲部２２ｄの間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔２１ｆ，２２ｆを介して第二の短絡防止リブ３４及びフラットシール部３５と連続している。
【００３３】
したがってガスケット３０は、セパレータ２０の一側に形成された第一のシール突条３１、第二のシール突条３２、第一の短絡防止リブ３３及び第二の短絡防止リブ３４と、セパレータ２０の他側に形成されたフラットシール部３５が、中間ゴム充填部３６，３７を介して連続していると共に、セパレータ２０におけるアノード側プレート２１とカソード側プレート２２を互いに一体的に連結している。
【００３４】
図２に示される積層状態では、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部が、セパレータ２０に一体に設けられたガスケット３０の第一のシール突条３１及び第一の短絡防止リブ３３と、前記セパレータ２０と厚さ方向に隣接する他のセパレータ２０に一体に設けられたガスケット３０のフラットシール部３５との間に挟持されると共に、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３が、セパレータ２０のアノード側プレート２１における溝２１ａ，２１ｂが形成された領域と、このセパレータ２０と厚さ方向に隣接する他のセパレータ２０のカソード側プレート２２における溝２２ａ，２２ｂが形成された領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
【００３５】
そして、発電体１０における一方のガス拡散層１２とこれに当接したセパレータ２０のアノード側プレート２１の溝２１ａとの間には、水素含有の燃料ガスを流通させる燃料ガス流路Ｆ１が形成され、この燃料ガス流路Ｆ１が形成された領域は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に適当なつぶし代をもって密接された第一のシール突条３１によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１２側の触媒電極層であるアノードに、燃料ガス流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して燃料ガスが供給されるようになっている。
【００３６】
また、発電体１０における他方のガス拡散層１３とこれに当接したセパレータ２０のカソード側プレート２２の溝２２ａとの間には、酸素を含む酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路Ｆ２が形成され、この酸化剤ガス流路Ｆ２が形成された領域は、発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側でフラットシール部３５に適当なつぶし代をもって密接された第二のシール突条３２によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１３側の触媒電極層であるカソードに、酸化剤ガス流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸化剤ガスが供給されるようになっている。
【００３７】
また、セパレータ２０におけるアノード側プレート２１の溝２１ｂと、このアノード側プレート２１に当接されたカソード側プレート２２の溝２２ｂの間には、冷媒（冷却水）を流通させる冷媒流路Ｆ３が形成され、この冷媒流路Ｆ３が形成された領域は、アノード側プレート２１の屈曲部２１ｃとカソード側プレート２２の屈曲部２２ｃの間を埋めるように形成されたガスケット３０の中間ゴム充填部３６によって、他の領域から独立して区画される。そしてこの冷媒流路Ｆ３には、冷却水などの冷媒が流通されるようになっている。
【００３８】
したがって中間ゴム充填部３６は、アノード側プレート２１とカソード側プレート２２を互いに一体的に連結する手段と、請求項１に記載された冷媒シール部としての手段を兼ねるものである。
【００３９】
上述のように構成された第一の形態によれば、図２に示される積層状態において、発電体１０における膜−電極複合体１１の一方の触媒電極層である不図示のアノードに燃料ガス流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して水素含有の燃料ガスが供給され、膜−電極複合体１１の他方の触媒電極層である不図示のカソードに酸化剤ガス流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸素含有の酸化剤ガス（空気）が供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するようになっている。そして、発電体１０とガスケット３０つきセパレータ２０で構成される各発電ユニットにおける起電力は低いものであるが、これら発電体１０とガスケット３０つきセパレータ２０を交互に多数積層して各発電ユニットを電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている。またこのときに発生する反応熱は、冷媒流路Ｆ３を流通する冷媒により除去される。
【００４０】
そしてガスケット３０つきセパレータ２０は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部に適当なつぶし代で密接される第一のシール突条３１と、前記膜−電極複合体１１の縁部よりも外側で隣接するガスケット３０のフラットシール部３５に適当なつぶし代で密接される第二のシール突条３２と、アノード側プレート２１とカソード側プレート２２の間に介在する中間ゴム充填部３６，３７を有するものであるため、言い換えれば、互いに独立した燃料ガス流路Ｆ１、酸化剤ガス流路Ｆ２及び冷媒流路Ｆ３を画成する手段が集約してセパレータ２０に設けられている。このため、従来のように複数の積層部品にガスケットを一体成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。
【００４１】
また、このガスケット３０は、セパレータ２０の片側に成形された第一のシール突条３１、第二のシール突条３２、第一の短絡防止リブ３３及び第二の短絡防止リブ３４と、その反対側に成形されたフラットシール部３５が、アノード側プレート２１の屈曲部２１ｃ，２１ｄとこれに対向するカソード側プレート２２の屈曲部２２ｃ，２２ｄに開設された連通孔２１ｅ，２２ｅ及び２１ｆ，２２ｆを介して形成された中間ゴム充填部３６，３７によって互いに連続しているので、これらガスケット３０の成形をセパレータ２０の両側から行う必要はなく、セパレータ２０の片側から同時に成形することができる。
【００４２】
しかもこのガスケット３０によって、アノード側プレート２１とカソード側プレート２２がセパレータ２０として一体化されているため、燃料電池の各発電ユニットが、図１に示されるように、膜−電極複合体１１及びガス拡散層１２，１３を貼り合わせた発電体１０と、ガスケット３０つきセパレータ２０の２部品のみとなる。したがって積層部品が減少すると共に、スタック組立の際の組立工数を減少させることができ、しかもその結果、各部品間の僅かな位置ずれの累積による積層誤差も小さくすることができる。
【００４３】
また、互いに厚さ方向に隣接するガスケット３０，３０，・・・は、図２に示される積層状態において、第一の短絡防止リブ３３とフラットシール部３５の間に、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部を挟み込むことによってその変形を抑制することができ、互いに厚さ方向に隣接するセパレータ２０，２０，・・・の間に、平坦面で圧接した第二の短絡防止リブ３４とフラットシール部３５が介在することによって、発電体１０の両側にあるアノード側プレート２１とカソード側プレート２２の端部同士が接触することによる電気的な短絡を有効に防止することができる。
【００４４】
なお、上述した第一の形態では、ガスケット３０における第一及び第二のシール突条３１，３２、第一及び第二の短絡防止リブ３３，３４と、その反対側のフラットシール部３５と、その間の中間ゴム充填部３６，３７が、連通孔２１ｅ，２２ｅ及び２１ｆ，２２ｆを介して互いに連続しているが、ガスケット３０の一部を、セパレータ２０の縁を回り込ませることによって、第一及び第二のシール突条３１，３２、第一及び第二の短絡防止リブ３３，３４とフラットシール部３５を互いに連続させた形状とすることもできる。
【００４５】
次に、図５は本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を未積層状態で示し、同じく図６は積層状態で示すものである。
【００４６】
この第二の形態において、先に説明した第一の形態と異なる点は、セパレータ２０を構成する二枚のプレート２３，２４が、カーボンによって成形された点にあり、このプレート２３，２４に跨って、電気絶縁性のゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるガスケット４０が一体に加硫成形されている。なお、以下の説明では便宜上、プレート２３をアノード側、プレート２４をカソード側として説明するが、逆にプレート２３をカソード側、プレート２４をアノード側としても良い。
【００４７】
すなわち、セパレータ２０におけるアノード側プレート２３はカーボン成形体からなるものであって、セパレータ２０の厚さ方向一側に積層される発電体１０のガス拡散層１２との対向面に溝２３ａが形成されており、その反対側の面、すなわちカソード側プレート２４との衝合面には溝２３ｂが形成されている。また、前記溝２３ａの形成領域の外周側には、前記発電体１０との対向方向と反対側へ適宜後退した平坦なシール保持面２３ｃが形成されており、前記溝２３ｂの形成領域の外周側には帯状溝２３ｄが形成されており、そこから厚さ方向へ貫通した連通孔２３ｅが開設されている。
【００４８】
また、セパレータ２０におけるカソード側プレート２４もカーボン成形体からなるものであって、セパレータ２０の厚さ方向他側に積層される発電体１０のガス拡散層１３との対向面に溝２４ａが形成されており、その外周側の領域には発電体１０との対向方向へガス拡散層１３の厚さより小さな突出量で突出した平坦なフランジ部２４ｂが形成されている。
【００４９】
ガスケット４０は、例えば燃料電池の使用環境下に耐え得るシリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ブチルゴムなどから選択される、電気絶縁性のゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）でセパレータ２０に一体に加硫成形されたものであって、アノード側プレート２３におけるカソード側プレート２４と反対側へ突出した第一のシール突条４１及び第二のシール突条４２と、その幅方向両側の第一の短絡防止リブ４３及び第二の短絡防止リブ４４と、前記第一のシール突条４１と第二のシール突条４２の間に形成された第三の短絡防止リブ４５と、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４の間に介在する中間ゴム充填部４６とを有する。
【００５０】
詳しくは、ガスケット４０における第一のシール突条４１は図５に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図６に示される積層状態において発電体１０のガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に適当なつぶし代で密接されるものである。
【００５１】
ガスケット４０における第二のシール突条４２は、第一のシール突条４１の外周側にあって図５に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図６に示される積層状態において発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側で隣接するセパレータ２０のカソード側プレート２４のフランジ部２４ｂに適当なつぶし代で密接されるもので、好ましくは、膜−電極複合体１１の厚さに相当する分だけ第一のシール突条４１よりも突出高さが高く形成されている。
【００５２】
ガスケット４０における第一のシール突条４１の内周側に形成された第一の短絡防止リブ４３と、第一のシール突条４１の外周側に形成された第三の短絡防止リブ４５は、図６に示される積層状態において発電体１０のガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に、平坦な面をもって密接されるものであって、その突出高さは、溝２３ａの形成面とシール保持面２３ｃとの段差よりも高く、かつ第一のシール突条４１よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ突出高さが低いものとなっている。
【００５３】
ガスケット４０における第二のシール突条４２の外周側に形成された第二の短絡防止リブ４４は、図６に示される積層状態において発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側で隣接するセパレータ２０のカソード側プレート２４のフランジ部２４ｂに平坦な面をもって密接されるものであって、その突出高さは、図５に示されるように第二のシール突条４２よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ低く、かつ第一の短絡防止リブ４３及び第三の短絡防止リブ４５よりも膜−電極複合体１１の厚さに相当する分だけ高く形成されている。
【００５４】
ガスケット４０における中間ゴム充填部４６は、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄとこれを塞ぐようにアノード側プレート２３に衝合されたカソード側プレート２４との間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔２３ｅを介して第二の短絡防止リブ４４と連続している。
【００５５】
したがってガスケット４０は、アノード側プレート２３の一側に形成された第一のシール突条４１、第二のシール突条４２、第一の短絡防止リブ４３、第二の短絡防止リブ４４及び第三の短絡防止リブ４５と、他側に形成された中間ゴム充填部４６が互いに連続していると共に、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄ及びカソード側プレート２４に加硫接着された中間ゴム充填部４６によって、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４を互いに一体的に連結している。
【００５６】
図６に示される積層状態では、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部が、セパレータ２０に一体に設けられたガスケット４０の第一のシール突条４１及び第一の短絡防止リブ４３、第三の短絡防止リブ４５と、前記セパレータ２０と厚さ方向に隣接する他のセパレータ２０におけるカソード側プレート２４のフランジ部２４ｂとの間に挟持されると共に、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３が、セパレータ２０のアノード側プレート２３における溝２３ａの形成領域と、厚さ方向に隣接する他のセパレータ２０のカソード側プレート２４における溝２４ａの形成領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
【００５７】
そして、発電体１０における一方のガス拡散層１２とこれに当接したセパレータ２０のアノード側プレート２３の溝２３ａとの間には、水素含有の燃料ガスを流通させる燃料ガス流路Ｆ１が形成され、この燃料ガス流路Ｆ１が形成された領域は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（又は図３，図４に示される補強フィルム１４）に適当なつぶし代をもって密接された第一のシール突条４１によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１２側の触媒電極層であるアノードに、燃料ガス流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して燃料ガスが供給されるようになっている。
【００５８】
また、発電体１０における他方のガス拡散層１３とこれに当接したセパレータ２０のカソード側プレート２４の溝２４ａとの間には、酸素を含む酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路Ｆ２が形成され、この酸化剤ガス流路Ｆ２が形成された領域は、発電体１０（膜−電極複合体１１）の縁部よりも外側で厚さ方向に隣接するカソード側プレート２４のフランジ部２４ｂに適当なつぶし代をもって密接された第二のシール突条４２によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１３側の触媒電極層であるカソードに、酸化剤ガス流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸化剤ガスが供給されるようになっている。
【００５９】
また、セパレータ２０におけるアノード側プレート２３の溝２３ｂと、このアノード側プレート２３に当接されたカソード側プレート２４の間には、冷媒（冷却水）を流通させる冷媒流路Ｆ３が形成され、この冷媒流路Ｆ３が形成された領域は、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄとカソード側プレート２４の間を埋めるように形成されたガスケット４０の中間ゴム充填部４６によって、他の領域から独立して区画される。そしてこの冷媒流路Ｆ３には、冷却水などの冷媒が流通されるようになっている。
【００６０】
したがって中間ゴム充填部４６は、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４を互いに一体的に連結する手段と、請求項１に記載された冷媒シール部としての手段を兼ねるものである。
【００６１】
上述のように構成された第二の形態によれば、図６に示される積層状態において、発電体１０における膜−電極複合体１１の一方の触媒電極層である不図示のアノードに燃料ガス流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して水素含有の燃料ガスが供給され、膜−電極複合体１１の他方の触媒電極層である不図示のカソードに酸化剤ガス流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸素含有の酸化剤ガス（空気）が供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するようになっている。そして、発電体１０とガスケット４０つきセパレータ２０で構成される各発電ユニットにおける起電力は低いものであるが、これら発電体１０とガスケット４０つきセパレータ２０を交互に多数積層して各発電ユニットを電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている。またこのときに発生する反応熱は、冷媒流路Ｆ３を流通する冷媒により除去される。
【００６２】
そしてガスケット４０は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部に適当なつぶし代で密接される第一のシール突条４１と、前記膜−電極複合体１１の縁部よりも外側でカソード側プレート２４のフランジ部２４ｂに適当なつぶし代で密接される第二のシール突条４２と、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４の間に介在する中間ゴム充填部４６を有するものであるため、言い換えれば、互いに独立した燃料ガス流路Ｆ１、酸化剤ガス流路Ｆ２及び冷媒流路Ｆ３を画成する手段が集約してセパレータ２０に設けられている。このため、従来のように複数の積層部品にガスケットを一体成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。
【００６３】
また、このガスケット４０における中間ゴム充填部４６が、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄとカソード側プレート２４の双方の内面に加硫接着されることによって、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４がセパレータ２０として一体化されているため、燃料電池の各発電ユニットが、図５に示されるように、膜−電極複合体１１及びガス拡散層１２，１３を貼り合わせた発電体１０と、ガスケット４０つきセパレータ２０の２部品のみとなる。したがって積層部品が減少すると共に、スタック組立の際の組立工数を減少させることができ、しかもその結果、各部品間の僅かな位置ずれの累積による積層誤差も小さくすることができる。
【００６４】
また、ガスケット４０における第一の短絡防止リブ４３及び第三の短絡防止リブ４５は、第一のシール突条４１と共に、発電体１０の膜−電極複合体１１の外周部をカソード側プレート２４の平坦なフランジ部２４ｂに押し付けることによってその変形を抑制することができ、互いに厚さ方向に隣接するセパレータ２０，２０，・・・の間に、ガスケット４０における第二のシール突条４２及び第二の短絡防止リブ４４が介在することによって、発電体１０の両側にあるアノード側プレート２３とカソード側プレート２４の端部同士が接触することによる電気的な短絡を有効に防止することができる。
【００６５】
次に、図７〜図９は、それぞれ本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態における部分的な変更例を示すものである。
【００６６】
このうち図７は、セパレータ２０のカソード側プレート２４におけるアノード側プレート２３との衝合面に、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄと対向する帯状溝２４ｃを形成し、ガスケット４０における中間ゴム充填部４６が、双方の帯状溝２３ｄ，２４ｃに跨って充填されその内面に加硫接着されたものである。その他の構成は、先に説明した図５及び図６と同様である。
【００６７】
そしてこのようにすれば、帯状溝２４ｃの内面への中間ゴム充填部４６のアンカー効果によって接着力が増大し、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４との結合力を向上させることができる。
【００６８】
また図８及び図９は、アノード側プレート２３におけるカソード側プレート２４との対向面に、アノード側プレート２３の帯状溝２３ｄからその外周側へ延びるエアベント溝２０ａ及びその先端の余剰材料溜まり２０ｂを形成したものである。このエアベント溝２０ａ及び余剰材料溜まり２０ｂは、カソード側プレート２４におけるアノード側プレート２３との対向面に形成しても良く、その他の構成は、先に説明した図５及び図６と同様である。
【００６９】
そしてこのようにすれば、アノード側プレート２３とカソード側プレート２４を積層した状態で不図示の金型へセットし、液状ゴム材料によりガスケット４０を成形する際に、アノード側プレート２３の連通孔２３ｅから帯状溝２３ｄとカソード側プレート２４の間の空間へ液状ゴム材料が充填されるのに伴って、この空間の残存空気や揮発ガスがエアベント溝２０ａを通じて余剰材料溜まり２０ｂへ排出され、前記空間内で合流した余剰の液状ゴム材料もこのエアベント溝２０ａを通じて余剰材料溜まり２０ｂへ流れ込むことができる。このため液状ゴム材料が前記空間内に良好に賦形されて中間ゴム充填部４６が成形されるので、成形不良が有効に防止される。
【００７０】
なお、第二の形態においては、ガスケット４０における第一及び第二のシール突条４１，４２、第一〜第三の短絡防止リブ４３〜４５と、中間ゴム充填部４６が、連通孔２３ｅを介して互いに連続しているが、連通孔２３ｅを開設せずに、ガスケット４０の一部を、セパレータ２０の縁を回り込ませることによって第一及び第二のシール突条４１，４２、第一〜第三の短絡防止リブ４３〜４５と、中間ゴム充填部４６が互いに連続した形状とすることもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  発電体
１１  膜−電極複合体
１２，１３  ガス拡散層
２０  セパレータ
２１，２３  アノード側プレート
２１ｅ，２１ｆ，２２ｅ，２２ｆ，２３ｅ  連通孔
２２，２４  カソード側プレート
２３ｄ  帯状溝
３０，４０  ガスケット
３１，４１  第一のシール突条
３２，４２  第二のシール突条
３３，４３  第一の短絡防止リブ
３４，４４  第二の短絡防止リブ
３５  フラットシール部
３６，４６  中間ゴム充填部（冷媒シール部）
３７  中間ゴム充填部
４５  第三の短絡防止リブ
Ｆ１  燃料ガス流路（発電体の一側の反応ガス流路）
Ｆ２  酸化剤ガス流路（発電体の他側の反応ガス流路）
Ｆ３  冷媒流路
【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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