(57)【要約】  本発明は、膜電極接合体（９）の両面の外周に配置されたシール部材と、それらを挟む一対のセパレータ（１０Ａ）（１０Ｂ）とを有する単電池モジュールが複数層積層され、その両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える、高分子電解質型燃料電池において用いる、ガスケットであって、前記シール部材が、前記膜電極接合体の前記両面の外周部に一体形成して構成された、高分子電解質型燃料電池用ガスケット（１４）に関する。  従来の前記ガスケットでは、相反する要求である、確実なシール性の保持と低締結力化等とを実現できないという問題があった。  本発明は、前記ガスケットにおける、前記シール部材を、２列のシールリップ（１５）（１６）を面内平行に連続して設け、少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて一体的に形成された部材とすること等によって、上記問題の解決を図ったものである。
2010100906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に一体成形して構成され、
前記シール部材としては、前記セパレータとの間で発揮可能なシール性をそれぞれ備える２列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記２列のシールリップのうちの少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて一体的に形成され、かつ、前記下側山形状部の頂点の曲率半径は前記上側山形状部の頂点の曲率半径よりも大きい高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項２】
前記下側山形状部の頂点の曲率半径をＲ１とし、前記上側山形状部の頂点の曲率半径をＲ２とするとき、前記曲率半径Ｒ１と前記曲率半径Ｒ２との相関関係は、
Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足し、
前記２列のシールリップの間の部分の高さは、前記膜電極接合体の表裏各面の前記セパレータで前記２列のシールリップを締め付ける高さより低く形成されている、
請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項３】
前記下側山形状部の頂角及び前記上側山形状部の頂角が１８°以上であり、前記２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅に対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法は６０％以下である、
請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項４】
前記上側山形状部及び前記下側山形状部は、共に、その頂点付近の断面は円形であり、
前記上側山形状部は、前記燃料電池スタックの組立時に、前記下側山形状部の頂点の部分よりも、前記上側山形状部の頂点の部分が前記セパレータと接触して大きく弾性変形する変形容易部であり、
前記下側山形状部は、前記変形容易部が大きく弾性変形したのち前記下側山形状部の頂点の部分が変形して前記セパレータとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池用ガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極（ガス拡散層を含む）とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」と
する。）と呼ぶ。【０００３】
また、ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータがそれぞれ配置される。各セパレータにおいてＭＥＡと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面にそれぞれ溝を設けてそれぞれガス流路とする方式が一般的である。なお、このように、ＭＥＡが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を、「単電池モジュール」と言う。【０００４】
各セパレータとＭＥＡとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給、ガス流路からの反応ガス、及び、生成水の排出は、一対のセパレータのうちの少なくとも１つのセパレータの縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔をそれぞれ設け、それぞれのガス流路の出入り口をこれらのマニホールド孔にそれぞれ連通して、各マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。【０００５】
また、ガス流路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスが外部へリークしたり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＡにおける電極が形成されている部分、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータの間には、シール部材としてガスシール材又はガスケットが配置される。これらのガスシール材又はガスケットは、それぞれのマニホールド孔の周囲のシールをも行う。【０００６】
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのＭＥＡ、セパレータ、及び、冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、これらのセルの各端部に集電板と絶縁板とを介して端板を配置し、一対の端板でこれらのセルを挟み、締結ボルト（ロッド）等で両端から固定するのが一般的な積層電池（燃料電池スタック）の構造である。締結方式については、各セパレータの縁部に形成された貫通孔を通し、締結ボルトで締め付ける方法、又は、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が一般的である。【０００７】
このような積層電池においては、単電池モジュールを面内（積層方向に直交する平面内）で均一な締結力で締め付け、シールを確実に行なうことが重要である。近年では安全性保証のために、可燃ガスと外気とを確実に分離することが可能な２重シールが要求されている。しかし、低コスト化のためにスタックの小型化及び省スペース化も要求されており、２重シールが要求される場合には、締結荷重が増大し、締結部材が複雑になり、スタック体積が増大することが一般的であるため、２重シールとスタックの小型化及び低締結力化の要求とは相反することになる。【０００８】
かかる燃料電池用のシールに関しては、特許文献１において図８に示すように、シール部の薄肉化、組立性の向上、位置ずれの防止、低面圧化、面圧の均一化等が優れているという観点から、リップ２００を平行に２つ設け、面圧を高めずにシール性を確保したガスケットを有するカーボン材が一例として考案されている。【０００９】
また、特許文献２では、低反力化の要求に応え、リップの倒れを防止でき、相手面の微小な凹凸又は段差などでもシール性を維持することができるガスケットの一例として、図９に示す２段構造のガスケット２０１が提案されている。互いに対向する二部材のうちの一方の部材にガスケット２０１を一体成形して取り付けられ、他方に密接するガスケット２０１において、一体成形して設けたシールリップ２０２は、低反力化のために潰し容積が小さい形状を有する。【００１０】
特許文献３には、燃料電池用ガスケットにおいて、シール部が、両方向に突出する断面略三角形状のリップよりなる内側シールと、前記内側シールの外側に位置し、両方向に突出する断面略三角形状のリップとよりなる外側シールとを有し、前記内側シールと前記外側シールとが環状の連結部により連結されてものが開示されている。このような構成により、シール性能が良好で、反力を低く抑えることが出来ると共に、ガスケットが倒れるという問題を解決するようにしている。【００１１】
特許文献４には、シール部に、両方向シール性を備えるシールリップを設け、前記シールリップの片側または両側に、一方向シール性を備えるシールリップを設けるように構成している。このような構成により、低反力化の要求に応えることができ、リップに倒れ現象が発生してもシール機能を維持することができ、しかも相手面に微小な凹凸や段差等があってもシール機能を維持することができるようにしている。【００１２】
特許文献５には、ゴムシートの周縁に、それぞれ四角形などの断面を有する一対の間隔規制部が配置されるとともに、一対の間隔規制部の間に山形又は三角形の断面を有するリップ線部が配置されたものが開示されている。この一対の間隔規制部は、リップ線部が所望の圧縮変形を行うように寸法を制御するものである。【００１３】
特許文献６には、ゴム状弾性材製のガスケット本体としてのゴムが、シールリップ部を有して断面三角形状ないし山形状に形成されており、ビード状のシールリップ（ビードとも称する）付きのフラットシール構造が開示されている。また、電解質膜の両面のガスケット本体にそれぞれビード状のシールリップ部を２本ずつ設けることにより、両面の樹脂フィルムの貼付け位置が左右に多少ずれることがあっても、ガスケット本体の面圧ピーク値が低下するのを防止することができるようにしたものも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−１３３２８８号公報（第４頁、図３）
【特許文献２】特開２００５−０１６７０３号公報（第７頁、図３）
【特許文献３】特開２００７−３３５０９３号公報（第４頁、図３）
【特許文献４】特開２００４−３６０７１７号公報（第５，７頁、図５）
【特許文献５】米国特許２００８／０１１８８１１の公開公報（第３，４頁、図５，図６）
【特許文献６】米国特許２００４／００７５２２４の公開公報（第１１頁、図４，図１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、安全性保証のために可燃ガスと外気との２重シールが要求される場合には、前記した特許文献１〜６の燃料電池用ガスケットはいずれも、スタックの小型化及び省スペース化と低締結圧化と、確実なシール性の保持などの複数の課題解決を図ったものではない。特に、特許文献１は、２重に確実なシール性を保持するには、リップがそれぞれ小さいためにシール性が低くなり、特許文献２では、単純に２重シールにした場合はシールに必要な面積が大きくなるため、スタック体積及び締結圧が増大してしまう。【００１６】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、高分子電解質型燃料電池において、確実にシール性を保証可能な２重シール構造を提供し、同時に相反する要求であるスタックの小型化及び低締結力化を実現することができる高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００１８】
前記本発明の第１態様にかかる高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に一体成形して構成され、
前記シール部材としては、シール性をそれぞれ備える２列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記２列のシールリップのうちの少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて一体的に形成され、かつ、前記下側山形状部の頂点の曲率半径は前記上側山形状部の頂点の曲率半径よりも大きいことを特徴とする高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。【００１９】
本発明の第２態様によれば、前記下側山形状部の頂点の曲率半径をＲ１とし、前記上側山形状部の頂点の曲率半径をＲ２とするとき、前記曲率半径Ｒ１と前記曲率半径Ｒ２との相関関係は、
Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足し、
前記２列のシールリップの間の部分の高さは、前記膜電極接合体の表裏各面の前記セパレータで前記２列のシールリップを締め付ける高さより低く形成されている、
第１の態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。【００２０】
本発明の第３態様によれば、前記下側山形状部の頂角及び前記上側山形状部の頂角が１８°以上であり、前記２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅に対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法は６０％以下である、
第１又は２の態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。【００２１】
本発明の第４態様によれば、前記上側山形状部及び前記下側山形状部は、共に、その頂点付近の断面は円形であり、
前記上側山形状部は、前記燃料電池スタックの組立時に、前記下側山形状部の頂点の部分よりも、前記上側山形状部の頂点の部分が前記セパレータと接触して大きく弾性変形する変形容易部であり、
前記下側山形状部は、前記変形容易部が大きく弾性変形したのち前記下側山形状部の頂点の部分が変形して前記セパレータとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部である、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。【００２２】
本構成によって、２重シールの低反力化と狭幅化を実現でき、確実なシール性を保証することが可能であることにより、燃料電池スタックの低締結力化、小型化を実現する２重シール構造を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池ガスケットによれば、省スペースで低反力の２重シールを実現することができるため、スタックの低締結力化を実現し、スタックを小型化できる。さらに、安定して締結可能で、従来よりも２重にシール性を発揮することができ、締結構造を簡易化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施の形態にかかる燃料電池スタックの分解斜視図であり、
【図２Ａ】図２Ａは、図１の前記燃料電池スタックのＭＥＡとガスケット構造の概略を示す平面図であり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ａの燃料ガス流路溝に隣接するＭＥＡの燃料ガス用ガスケット構造を示す平面図であり、
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１の前記燃料電池スタックのＭＥＡとガスケット構造を示す平面図であり、
【図２Ｄ】図２Ｄは、図１の前記燃料電池スタックのカソード側セパレータ又は冷却水セパレータのガスケット構造を示す平面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、従来例にかかるガスケット構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかるガスケット構造の部分断面図）であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の図２ＡのＡ−Ａ線の断面図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかる２重シール構造の部分断面図）であって、仮想的にガスケットとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケットを使用するＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線における２重シール構造の部分断面図）であって、仮想的にガスケットとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図４Ｃ】図４Ｃは、従来例のガスケット構造におけるシール反力と本発明の前記第１実施形態のガスケット構造におけるシール反力との比較を示すグラフであり、
【図４Ｄ】図４Ｄは、従来例のガスケット構造と前記第１実施形態のガスケット構造との寸法での比較を示す部分断面説明図であり、
【図４Ｅ】図４Ｅは、締結時における、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかる２重シール構造の部分断面図）であり、
【図４Ｆ】図４Ｆは、締結時における、前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケットを使用するＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線における２重シール構造の部分断面図）であり、
【図５Ａ】図５Ａは、前記第１実施形態の変形例を示す部分断面図であり、
【図５Ｂ】図５Ｂは、前記第１実施形態の前記ガスケットの別の変形例を示す部分断面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図であって、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、締結時における、本発明の前記第２実施形態にかかる前記ガスケット構造の部分断面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第３実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図であって、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、締結時における、本発明の前記第３実施形態にかかる前記ガスケット構造の部分断面図であり、
【図８】図８は、特許文献１における実施例の一例を示す部分断面図であり、
【図９】図９は、特許文献２における実施例の一例を示す部分断面図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、図３Ｂの前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の一部の拡大断面図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａのガスケットがセパレータに押圧された状態での拡大断面図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、従来の一段リップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、従来の一段リップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、前記第１実施形態にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、前記第１実施形態にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、前記第１実施形態の変形例にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、前記第１実施形態の前記変形例にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例である燃料電池スタック３０の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック３０は、その中心部に、単電池モジュール（セル）１を複数層積層させてセル積層体２０が構成されている。なお、セル積層体２０の両端部の最外層には、集電板２と、内面に弾性体の一例としての多数の内側バネ４を有する端板３とが配置されている。頭部７ａに外側バネ５が嵌め込まれた４本の締結ボルト７が、セル積層体２０の一方の端部から、端板３と集電板２とセル積層体２０と集電板２と端板３とのそれぞれの角部のボルト孔６を貫通し、ナット８がねじ込まれて締結されるように構成されている。第１実施形態では、一例として、セル１は６０個積層されてセル積層体２０を構成し、締結部材の一例として、ボルト孔６に挿通される締結ボルト７とナット８とで締結されている。なお、締結部材は、締結ボルト７とナット８とで構成するものに限らず、締結バンドなど他の構成でもよい。
【００２７】
各集電板２は、セル積層体２０の両外側にそれぞれ配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、一例として、銅板に金メッキが施したものを使用している。なお、集電板２には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、又は、アルミニウム等を使用しても良い。また、各集電板２の表面処理には、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。各集電板２の外側には、電気を絶縁するために電気絶縁性のある材料を用いた端板３を配置し、絶縁の役割も兼用させている。ここで、端板３には、一例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて射出成形で製作したものを使用している。端板３と一体となっている各配管３ａは、セル積層体２０の各マニホールドに、マニホールド用シール部材の一例として機能しかつマニホールド用貫通穴を有するガスケット（図示せず）を介して押し当てられて連通させて構成している。各端板３の内側には、セル１に荷重を加える前記多数の内側バネ４が、電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする。）９の投影部分、つまり、セル１の内側に、集中的に均等に配置され、締め付けた状態で例えば８．４ｋＮの荷重がセル積層体２０に加えられるように締め付け寸法が管理されている。外側バネ５は、各締結ボルト７の頭部７ａと端板３の外面との間に配置されて、複数本の締結ボルト７と複数個のナット８で組立時に調整されて、例えば１０ｋＮで締結されている。
【００２８】
セル１は、表裏両面の周縁部にシール部材の一例としてのガスケット１４をそれぞれ有するＭＥＡ９を一対の導電性のセパレータ１０、具体的にはアノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃで挟み、さらに、一方のセパレータ例えばカソード側セパレータ１０Ｃの外側に冷却水セパレータ１０Ｗを配置して構成されている。各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ及びＭＥＡ９の周縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）が穿たれている。また、冷却水セパレータ１０Ｗには、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通する一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）が穿たれている。複数個のセル１が積層されたセル積層体２０の状態では、これらマニホールド孔１１が積層されて互いに連通し、燃料ガス用マニホールド１１Ａ、酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃ、冷却水用マニホールド１１Ｗをそれぞれ独立して形成している。
【００２９】
ＭＥＡ９の本体部９ａは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、及び高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の内外両面に形成された一対の電極層、すなわちアノードとカソードの電極層とより構成されている。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。
【００３０】
アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃは、平板状であって、ＭＥＡ９と接触する側の面、すなわち内面は、ＭＥＡ９の本体部９ａとガスケット１４との形状にそれぞれ対応した形状を有するように構成している。アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃのそれぞれには、一例として、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いることができる。各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｗでは、各種マニホールド孔及びボルト孔６が該各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｗを厚み方向に貫通している。また、各セパレータ１０Ａ，１０Ｃの内面には、それぞれ、燃料ガス流路溝１２Ａと酸化剤ガス流路溝１２Ｃとが形成され、セパレータ１０Ｗの内面（カソード側セパレータ１０Ｃ側の面）には冷却水流路溝１２Ｗが形成されている。各種マニホールド孔と、ボルト孔６と、燃料ガス流路溝１２Ａと、酸化剤ガス流路溝１２Ｃと、冷却水流路溝等１２Ｗとは、切削加工あるいは成形加工によりそれぞれ形成されている。
【００３１】
ＭＥＡ９の表面と裏面とにそれぞれ配置されたガスケット１４は、弾性体で構成されたシール部材であり、ＭＥＡ９と一体形成され、ＭＥＡ９とセパレータ１０Ａ，１０Ｃとの押圧によって、セパレータ１０Ａ，１０Ｃの内面の形状に応じてガスケット１４は変形し、ＭＥＡ９の本体部９ａの外周及びマニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）の外周がガスケット１４（１４Ａ，１４Ｃ，１４Ｗ）でシールされている。
【００３２】
一例として、図２Ｂには、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ａの燃料ガス流路溝１２Ａに隣接するＭＥＡ９の燃料ガス用ガスケット構造を示す平面図を示す。燃料ガス用マニホールド孔１１Ａと燃料ガス用本体部９ａＡとが連通する空間と、酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃと冷却水用マニホールド１１Ｗとをそれぞれ独立させるように、燃料ガス用ガスケット１４Ａで仕切るように構成している。
【００３３】
図２Ｃには、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ｃの酸化剤ガス流路溝１２Ｃに隣接するＭＥＡ９の酸化剤ガス用ガスケット構造を示す平面図を示す。酸化剤ガス用マニホールド孔１１Ｃと酸化剤ガス用本体部９ａＣとが連通する空間と、燃料ガス用マニホールド１１Ａと冷却水用マニホールド１１Ｗとをそれぞれ独立させるように、酸化剤ガス用ガスケット１４Ｃで仕切るように構成している。
【００３４】
図２Ｄには、図１の前記燃料電池スタックのカソード側セパレータ１０Ｃ又は冷却水セパレータ１０Ｗの冷却水用ガスケット構造を示す平面図を示す。冷却水用マニホールド孔１１Ｗと冷却水流路溝１２Ｗとが連通する空間と、燃料ガス用マニホールド１１Ａと酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃとをそれぞれ独立させるように、冷却水用ガスケット１４Ｗで仕切るように構成している。
【００３５】
アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０ＣのＭＥＡ９と反対側の背面（外面）には、各種マニホールド孔１１の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズパッキン等の一般的なシール部材（図示せず）が配設されている。このパッキンなどのシール部材によって、隣接するセル１間において、各種マニホールド孔１１のセル１間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれの漏出が防止される。
【００３６】
ここで、図２Ａに、前記第１実施形態における燃料電池スタック３０のＭＥＡ９のより具体的な構造の平面図を示す。ＭＥＡ９の外周部に枠体１３が成形され、ＭＥＡ９の本体部９ａ及びマニホールド孔１１の外周にガスケット１４を成形して配置している。ＭＥＡ９の本体部９ａと枠体１３と、ガスケット１４との部分断面Ａ−Ａを図３Ｂに示す。図３Ａには、従来例のＭＥＡ１０９において同様な部分で切断したときのガスケット構造の部分断面図、図３Ｂに前記第１実施形態のガスケット１４の構造の部分断面図を示す。
【００３７】
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、ＭＥＡ１０９，９の外周に、樹脂から成る枠体１１３，１３を成形により設け、枠体１１３，１３上の上下面にガスケット１１４，１４を一体成形している。ここで、従来例と前記第１実施形態とでは、枠体１１３，１３の上下面に成形されたガスケット１１４−１，１４−１とガスケット１１４−２，１４−２はそれぞれ上下で同じ断面形状を持っている。
【００３８】
前記第１実施形態では、枠体１３の上下面に成形されたガスケット１４−１とガスケット１４−２はそれぞれ上下で同じ断面形状を持つものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図３ＢのＭＥＡ９の上下内部に流れる流体の種類、温度、又は、圧力条件などによっては、上面を従来例のガスケット形状とする一方、下面のみを前記第１実施形態のガスケット１４の形状としてもよい。より具体的には、例えば、上面を冷却水のみが流れる場合には、上面を従来のガスケット１１４によるシールとすることが好ましく、下面を可燃ガス又は酸化剤ガスが流れる場合には、前記第１実施形態の２重シールのガスケット１４を採用すると、上面よりも厳格なシール性が要求される下面において、前記第１実施形態にかかる顕著な効果を発揮することができる。
【００３９】
さらに、それぞれ上下面に図６Ａ、図７Ａに後記する応用例の２重シールのガスケット形状を個別に配置しても、２重シールの効果を発揮することができる。また、一例として、枠体１３としてはグラスファイバー添加ポリプロピレン、ガスケット１４としてはオレフィン系熱可塑性エラストマの一種を使用することができる。ガスケット材料として、熱硬化樹脂は成形時の流動性が非常に高く、ＭＥＡ９の電極にまで含浸してしまうため、熱可塑性樹脂の方が好ましい。また、枠体１３とガスケット１４のそれぞれは、接着性を材料自体が有するものを使用すると、さらにシール性は向上する。
【００４０】
図３Ａは、従来のガスケット１１４の構造を示した部分断面図であり、シールリップ１１４ａは１段の山形状の構造となっている。
【００４１】
図３Ｂは、前記第１実施形態のシール構造を示した部分断面図である。上下のガスケット１４−１と１４−２は同じ形状をしているため、上側のガスケット１４−１を代表例として、以下、説明する。枠体１３に一体成形されたガスケット１４−１は、ＭＥＡ９の本体部９ａの外形である四角形の各辺と並列にＭＥＡ９の面内で平行して２列連続した、四角形枠形状の第１シールリップ１５と四角形枠形状の第２シールリップ１６とで構成し、第１シールリップ１５及び第２シールリップ１６はそれぞれ図３Ｂの上下方向（厚み方向）に２段の山形状で構成している。
【００４２】
より詳細には、ガスケット１４−１は、図３Ｂの断面図において、外気側（図３Ｂの右側）に配置された第１シールリップ１５が、枠体１３の表面から隆起した第１段目の第１下側山形状部１５Ｍと、第１下側山形状部１５Ｍの縦断面円形状の頂点としての第１下側頂点１５Ｂと、第１下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の第１上側山形状部１５Ｎと、第１上側山形状部１５Ｎの縦断面円形状の頂点としての第１上側頂点１５Ｃとで形成されている。平面的に見ても、第１上側山形状部１５Ｎの底面部分の直径は、第１下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近の直径よりも小さくして、第１上側山形状部１５Ｎと第１下側山形状部１５Ｍとのつなぎ目で段部が形成されるようにしている。また、ＭＥＡ９の本体部９ａ側（図３Ｂの左側）に配置された第２シールリップ１６も同様に、枠体１３の表面から隆起した第１段目の第２下側山形状部１６Ｍと、第２下側山形状部１６Ｍの頂点としての第２下側頂点１６Ｂと、第２下側山形状部１６Ｍの頂点１６Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の第２上側山形状部１６Ｎと、第２上側山形状部１６Ｎの頂点としての第２上側頂点１６Ｃとで形成されている。平面的に見ても、第２上側山形状部１６Ｎの底面部分の直径は、第２下側山形状部１６Ｍの頂点１６Ｂの付近の直径よりも小さくして、第２上側山形状部１６Ｎと第２下側山形状部１６Ｍとのつなぎ目で段部が形成されるようにしている。そして、さらに、第１下側山形状部１５Ｍの底部と第２下側山形状部１６Ｍの底部とが一体となって連続部１４Ｐを形成して、第１及び第２シールリップ１５，１６間が連続した形状となるようにしている。第１及び第２シールリップ１５，１６間の連続部１４Ｐの高さＨ２は、枠体１３からスタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１よりも低く設定している。このようにＨ１＞Ｈ２とすることにより、低反力化が実現され、狭い範囲で２重シールを成形可能となる。言い換えれば、逆に、連続部１４Ｐの高さＨ２は、枠体１３からスタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１と同等か又はそれよりも高く設定すれば、セパレータ保持位置の高さＨ１まで第１及び第２シールリップ１５，１６及び連続部１４Ｐを弾性変形させる必要が生じて、反力が大きくなり、２重シールではなく１重シールとなってしまうためである。このような場合に、確実に２重シールを達成しようとすると、第１及び第２シールリップ１５，１６の間隔を大きくしなければならず、狭い範囲で２重シールを成形することが不可能となる。なお、第１下側頂点１５Ｂと、第１上側頂点１５Ｃと、第２下側頂点１６Ｂと、第２上側頂点１６Ｃとのそれぞれの高さは、スタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１よりも高く設定して、スタック組立時に弾性的に確実に変形するようにしている。
【００４３】
図１０Ａは、図３Ｂの前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の一部の拡大断面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａのガスケットがセパレータに押圧された状態での拡大断面図である。ここで、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの底面の幅をＷとし、連続部１４Ｐの幅をｄとし、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの底面から上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎの頂点部１５Ｃ，１６Ｃまでの高さをｈとすると、Ｗ＞ｈ＞０でかつＷ＞ｄ＞０とすることが好ましい。その理由は、以下のとおりである。
【００４４】
まず、Ｗ＞ｈ＞０が好ましい理由は、シールリップ１５，１６の安定性のためである。高さｈが幅Ｗよりも大きい場合には、シールリップ１５，１６が不安定になりやすいためである。
【００４５】
次に、Ｗ＞ｄが好ましい理由は、幅ｄが大き過ぎると、全体の寸法が大きくなるとともに、シールリップ１５，１６の圧縮時に、２つのシールリップ１５，１６間の連続部１４Ｐで形成される凹部７２の空間体積が大きくなる。凹部７２の空間体積が大きくなると、当該凹部７２の空間内に混入した水分の温度が低下して凍結状態になると、水が凍る際に水の体積が増大する。例えば、図４Ａに示すように、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造では、全体の寸法がさらに大きくなるとともに、２重シール構造間の間隔がさらに大きくなり、凹部７２の空間体積がさらに大きくなって、当該凹部７２の空間内に混入した水分の温度が低下して凍結状態になると、水が凍る際に水の体積がさらに増大することになる。ここで、シールリップ１５，１６の図１０Ａにおける上下面のセパレータ１０などはシール材料よりも強度が大きいため、水分（水）の体積が増大する際に発生する力が、セパレータ１０などよりも、シールリップ１５，１６に作用し、シールリップ１５，１６を図１０Ｂにおける左右方向に押すことになり、シールリップ１５，１６が倒れやすくなる。シールリップ１５，１６が倒れるとリークが発生してしまう。そこで、このようなリークを確実に防止するためには、前記凹部７２の空間の体積が最小になるように寸法設定する必要がある。このため、Ｗ＞ｄとする必要がある。
【００４６】
さらに、ｄ＞０が好ましい理由は、シールリップ１５，１６の圧縮時に凹部７２の空間が全くの残らない場合には、シールリップ１５，１６が圧縮されるとき、２つのシールリップ１５，１６が相互に押し合い、シールリップ１５，１６が倒れやすくなって好ましくない。このような状態を防止するためには、幅ｄは少なくとも正の値とする必要がある。
【００４７】
これらの理由から、Ｗ＞ｈ＞０でかつＷ＞ｄ＞０とすることが好ましい。
【００４８】
また、締結圧力を小さくしつつ、所定のシール耐圧を確保するためには、各シールリップ１５，１６は、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍと上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎとで構成される二段リップ（２段の山形状の構造）が効果的である理由について説明する。
【００４９】
まず、比較のため、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、従来のように一段リップ（１段の山形状の構造）の場合には、一段の山形状部１１４ａの頂部１１４ｂがセパレータ１１０に当接すると、山形状部１１４ａの頂部１１４ｂが、弾性変形により、つぶれて圧縮される。セパレータ１１０から受ける力をＰとすると、山形状部１１４ａの頂部１１４ｂがつぶれて圧縮された部分７０での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７０の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。
【００５０】
一方、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、第１実施形態のように二段リップ（２段の山形状の構造）の場合には、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とがセパレータ１０にそれぞれ当接すると、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とが、それぞれ、弾性変形によりつぶれて圧縮される。セパレータ１０から受ける力をＰとすると、つぶれて圧縮された部分７１での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７１の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。このとき、シールリップ１５，１６のシール耐圧は、ピーク面圧ＰＭＡＸで決定される。このピーク面圧ＰＭＡＸがガスの圧力よりも高ければ、シールを行うことができる。
【００５１】
ここで、図１１Ｂと図１１Ｄとを比べるとよくわかるように、クロスハッチング部分の面積で示された締結圧力は、従来の図１１Ｂよりも、第１実施形態の図１１Ｄの方が小さくなっており、締結圧力が小さくなっていることが明確にわかる。また、ピーク面圧ＰＭＡＸは、図１１Ｂと図１１Ｄとでは、ほぼ同じである。
【００５２】
さらに、本実施形態のように二段リップの場合の変形例としての二山タイプ（２段の山形状の構造でかつ上側の山形状部が複数個有している構造）は、下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の複数の上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２を有するものである。具体的には図示しないが、他方のシールリップ１６も同様に有することができる。このような構成では、シールリップ１５においては、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２のすべてと、下側山形状部１５Ｍの一部とがセパレータ１０に当接すると、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２のすべてと、下側山形状部１５Ｍの一部とが、それぞれ、弾性変形により、つぶれて圧縮される。セパレータ１０から受ける力をＰとすると、つぶれて圧縮された部分７３での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７３の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。
【００５３】
このとき、シール耐圧の最大値は、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２がそれぞれ圧縮された二箇所で、ガスの圧力よりも高いピーク面圧ＰＭＡＸが発生することになる。この結果、ピーク面圧ＰＭＡＸが二箇所で発生させることができて、シール機能をより安定して発揮することができる。なお、図１１Ｆの前記二箇所のそれぞれのピーク面圧ＰＭＡＸは、図１１Ｂと図１１Ｄとほぼ同じである。
【００５４】
前記第１実施形態では、第１シールリップ１５と第２シールリップ１６は鏡上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とが面対称となっており、頂点の曲率半径は、第１下側頂点１５Ｂと第２下側頂点１６Ｂとでは同じとし、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃとでは同じとしている。しかしながら、後述するように、本発明はこれに限定されるものではなく、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃとで異なる曲率半径を用いてもよい。第１下側頂点１５Ｂと第２下側頂点１６Ｂの曲率半径をそれぞれＲ１、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃの曲率半径をそれぞれＲ２とすると、その相関関係は、Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足するのが、本発明の効果をより確実に達成する上で好ましい。ここで、一例として、曲率半径Ｒ２としては０．２〜０．６ｍｍが望ましく、前記第１実施形態では曲率半径Ｒ２に０．３ｍｍを採用することができる。第１及び第２シールリップ１５，１６をそれぞれ２段の山形状部で構成し、２段の山形状部の頂点の曲率半径Ｒ１とＲ２をＲ１×０．５≧Ｒ２に設定することにより、第１及び第２シールリップ１５，１６の第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃの２箇所で弾性変形してセパレータ１０Ａ又は１０Ｃに対して集中的にシールすることになり（言い換えれば、断面において、第１上側頂点１５Ｃの頂点を通過する中心線上で集中的にシール性が向上することになり）、小さな反力で、２重のシール性を確実に確保することが可能となる。特に、頂点の曲率半径Ｒ２をＲ１×０．５≧Ｒ２に設定することにより、ガスケット１４の形状を安定して成形することが出来るだけではなく、スタック組立時にガスケット１４を安定して締結することができ、シール性を保証することが可能となる。すなわち、頂点の曲率半径Ｒ２がＲ１×０．５よりも小さければ、成形性が悪くなる（ショート（成形樹脂の充填不足）が発生するなどの）ためであるとともに、スタック締結時にシールによじれが発生したり、均一に荷重がかからなくなるためである。また、前記第１実施形態では第１シールリップ１５と第２シールリップ１６の頂点形状を一致させているが、前記の相関関係を満足していれば、第１シールリップ１５と第２シールリップ１６の頂点を互いに異なる頂点形状に変更しても前記の効果を発揮する。
【００５５】
また、前記第１実施形態では、各下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１の中心位置と各上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎの上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心位置とを一直線上に一致させているが、ＭＥＡ９の内外の環境又はＭＥＡ９へ供給するガス又は水の圧力負荷状況によっては、上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心位置を、下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１の中心位置に対して、ＭＥＡ９側、若しくは、外気側へそれぞれ下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１と上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の端部が一致するまでの範囲内で移動させるようにしてもよい。特に、ＭＥＡ９へ供給するガス又は水の内圧が大きい場合には、第２シールリップ１６の上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心をＭＥＡ９側に移動させたり、上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２を前記範囲内で大きめに（例えば、（Ｒ１×０．５≧Ｒ２）の範囲でかつ曲率半径Ｒ２を最大値に近い値に）設定すると、内圧による第２シールリップ１６の上側頂点１６Ｃのズレがなくなり、内圧負荷時のシール性向上に効果がある。
【００５６】
スタック組立時に第１及び第２シールリップ１５，１６の倒れを確実に防止し、安定性を確実に向上させるために、第１及び第２シールリップ１５，１６の頂角θはそれぞれ１８°以上あることが望ましい。低締結力化を確実に図るため及びガスケット本体の面圧ピーク値の低下を防止する観点から、頂角θの上限値は９０度である。
【００５７】
さらに、第１及び第２シールリップ１５，１６の合計高さ（枠体１３の表面から第２シールリップ１６の頂点までの厚さ方向の寸法）Ｈと全幅Ｄ（第１及び第２シールリップ１５，１６の両方の幅の合計（第１シールリップ１５の外端から第２シールリップ１６の内端までの寸法））の比（Ｈ／Ｄ）は、Ｈ／Ｄ≦０．６が望ましい。言い換えれば、２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅Ｄに対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法Ｈは６０％以下であることが望ましい。前記比（Ｈ／Ｄ）の下限値は０．１である。前記比（Ｈ／Ｄ）の下限値が０．１未満では、材料使用量が多くなる割には、シール効果が上がらなくなるためである。
【００５８】
全幅Ｄは、０．５〜５．０ｍｍが最適である。なお、ここで、幅とは、前記シールリップの厚さ方向と直交しかつ前記シールリップの延在方向と直交する方向沿いの寸法を指す。ここでは、一つの実例として、頂角θ＝１８°、高さＨと全幅Ｄの比（Ｈ／Ｄ）としては、  Ｈ／Ｄ＝０．６  を採用することができる。頂角θが前記１８°よりも小さい場合、又は、第１及び第２シールリップ１５，１６の高さＨと全幅Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が前記０．６よりも大きい場合には、スタック組立の際の締付荷重負荷時に第１及び第２シールリップ１５，１６の頂点が不安定になり横倒れが発生する可能性があり、横倒れが発生すると、シール性を発揮することが出来ないことになる。スタック３０の小型化及び単電池モジュール１の薄型化を確実に実現するためにも、第１及び第２シールリップ１５，１６はシール性を発揮可能な一番低い高さで、全幅Ｄも出来る限り狭い方が望ましいため、前記したように、Ｈ／Ｄ≦０．６を満足させることが好ましい。
【００５９】
本発明の前記第１実施形態では、第１及び第２シールリップ１５，１６を２段にし、第１段目の下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍよりも平面的に小さくかつ断面的に小さな曲率半径を有する第２段目の上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎを、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの上に配置している。このように構成することにより、スタック組立時にセパレータ１０Ａ，１０Ｃに、最初に、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが接触して、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍよりも、容易にかつ大きく弾性変形することができる変形容易部として上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが機能するようにしている。上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが変形容易部として大きく弾性変形したのち、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの頂点の部分が変形してセパレータ１０Ａ，１０Ｃとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部として下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍが機能する。この結果、スタック組立の際の締付荷重負荷時に第１及び第２シールリップ１５，１６の頂点がセパレータ１０Ａ又は１０Ｃの対向面に対して安定して接触して弾性変形を開始することになり、第１及び第２シールリップ１５，１６の横倒れを確実に防止することができ、シール性を確実に発揮することができる。よって、スタック３０の小型化及び単電池モジュール１の薄型化を確実に実現することができる。さらに、第１及び第２シールリップ１５，１６がそれぞれセパレータ１０Ａ又は１０Ｃの対向面に接触してシール性を発揮することにより、二重にシールすることができ、確実にシール性を保証可能な２重シール構造を提供することができる。よって、従来よりもシール性が向上するために、従来例よりもシール高さを低くすることができ、反力を小さくすることができるという効果も発揮される。また、枠体１３とガスケット１４の材料として互いに接着性の無いものをそれぞれ使用した場合には、全幅Ｄを大きく設定したり、若しくは、枠体１３のガスケット１４を成形させる部分の表面の表面粗さを粗くしたりすると、シール性の向上に効果がある。ガスケット１４は、合成ゴム、ＥＰＤＭ、又は、シリコーンなどの樹脂材料でも形成することができる。
【００６０】
次に、前記第１実施形態の形状のガスケット１４を、従来の形状のガスケット１１４と比較しながら説明する。
【００６１】
図４Ａは従来の形状のガスケット１１４を２個並列させてセパレータ１１０に接触させるように配置して２重シールを構成するようにした場合の単電池モジュール１の部分断面図、図４Ｂは前記第１実施形態の形状のガスケット１４での単電池モジュール１の部分断面図である。なお、図４Ａ及び図４Ｂは、共に、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にガスケット１１４とセパレータ１１０とを組み付けた状態の図であるため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。
【００６２】
図４Ｃは、図４Ａの従来のガスケット形状で２重シールにした場合に発生するシール反力と、図４Ｂの本発明の前記第１実施形態のガスケット形状の場合に発生するシール反力とを比較したシミュレーション結果を示すグラフである。シミュレーションは、汎用構造解析ソフトＡＢＡＱＵＳで実施した。本発明の前記第１実施形態のガスケット１４の形状では、従来例より最大４０％程度反力が低減し、スタック３０の低締結圧化を実現することが可能である。また、実験でもシミュレーションと同様の結果を得た。
【００６３】
さらに、図４Ｄに示す通り、本発明の前記第１実施形態のガスケット１４の形状は、従来例の形状のガスケット１１４を２個並列させて構成された２重シール構造と比較して、単電池モジュール１においてガスケット１４の占有面積が少なくて済むため、省スペースが可能となり、スタック３０の小型化が可能となる。
【００６４】
図４Ｅは、図４Ａの従来の形状のガスケット１１４を２個並列させてセパレータ１１０に接触させるように配置して２重シールを構成するようにした場合の単電池モジュール１の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６５】
図４Ｆは、図４Ｂの前記第１実施形態の形状のガスケット１４での単電池モジュール１の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６６】
図５Ａ及び図５Ｂは、前記第１実施形態の変形例をそれぞれ示した図である。図５Ａは、ガスケット１４の底面が、枠体１３側に埋没した構造となっている。言い換えれば、ガスケット１４を配置する枠体１３の表面に凹部１３ａを予め形成し、この凹部１３ａ内にガスケット１４を嵌合配置している。このように枠体１３に埋没するようにガスケット１４を形成することにより、ガスケット１４の周囲を凹部１３ａの縁部１３ｂで囲むことができて、ガスケット１４の締結時に枠体１３がガスケット１４の平面方向への広がりを縁部１３ｂでせき止めることができるため、シール性はさらに向上する。さらに、図５Ｂのように、第１及び第２シールリップ１５，１６の片側だけ枠体１３に埋没している形状（言い換えれば、図５Ｂで、第１シールリップ１５のＭＥＡ９の本体部９ａ側だけ、枠体１３の隆起部１３ｃで支持されている形状）でも、シール性が向上するという同様の効果を現す。
【００６７】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように、その他種々の態様で実施できる。
【００６８】
（第２実施形態）
図６Ａは、本発明の第２実施形態のシール構造の部分断面図を示している。外気側の第１シールリップ１５が前記第１実施形態と同じ２段リップ構造であるのに対して、ＭＥＡ側の第３シールリップ１８が１段リップ構造をしている。第３シールリップ１８は、２段の山形状の代わりに、頂点が縦断面円形状の１つの山形状としてもよい。このように、内外が異なる環境の場合に、それぞれの環境に適したシールリップ形状とすることにより、運転条件又は環境条件によっては、第１実施形態の効果に加え、シール性を、より一層、長期的に向上させる効果を発揮することができる。以下、このことについて、説明する。なお、図６Ａは、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であるため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。これに対して、図６Ｂは、前記第２実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６９】
燃料電池スタック３０の単電池モジュール１の内部は、水蒸気と水と水素と酸素との雰囲気であり、ＭＥＡ側に配置されたシールリップに対しては最大数百ＭＰａの内圧が負荷されるのに対して、外気は空気雰囲気であり、外気側に配置されたシールリップに対しては圧力無負荷となる。第１実施形態のような２重シール構造を採用する場合、単電池モジュール１の内部のＭＥＡ９と接するシールリップは耐水性及び耐水蒸気性、並びに、耐圧力性を併せ持つ必要があり、外気と接するシールリップは、空気に対する耐久性の保持が必要となる。ＭＥＡ９側のシールリップとして、第１実施形態の第２シールリップ１６に代えて第３シールリップ１８を配置すれば、第３シールリップ１８はセパレータ１０Ａ又は１０Ｃとの接触面積が第２シールリップ１６よりも大きくなる。このため、燃料ガス及び酸化ガスの内圧が負荷した場合でも耐圧に強く、より一層、長期にわたりシール性をより確実に保持することが可能であり、さらに、水蒸気及び水環境下での耐性もより一層高い構造とすることができる。すなわち、ＭＥＡ側の内圧が非常に大きくかかる場合には、第３シールリップ１８の形状にすれば、より一層、長期的にシール性を向上させることができる。また、単電池モジュール１の温度は燃料電池スタック３０の起動中には８０℃程度まで上昇するため、特にＭＥＡ９側のシールリップには耐熱性も求められる。この第２実施形態では、ガスケット１４の材料として耐熱性のある熱可塑性エラストマを使用することができる。
【００７０】
なお、材料又は内外の環境によっては（例えば、ＭＥＡ側のシールには圧力が負荷されず、外気側は低温下になる場合には）、図６Ａの配置とは逆に、内側（ＭＥＡ側）に２段のシールリップ構造、外側（外気側）に１段シールリップ構造を採用しても、シール性向上及び長期的なシール性保持に対して効果がある。
【００７１】
（第３実施形態）
図７Ａは、本発明の第３実施形態のシール構造の部分断面図を示している。このガスケット１４は、ＭＥＡ９側の第２シールリップ１６が２段の山形状の構造とし、外気側のシールリップ１７は板状で対向する相手側のセパレータ１０Ａ又は１０Ｃに縦断面円形かつ凸形状の凸部２４を形成している。第２実施形態２と同様に、第２シールリップ１６で確実なシール性を保持することができ、さらに、外気側のシールリップ１７と凸部２４とで、小さな締結力でシール性を確保することが可能となる。また、材料又は内外の環境によっては、内側に板状構造のシールリップ１７を配置し、外側に２段の山形状の第２シールリップ１６を採用しても効果がある。なお、図７Ａは、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であるいため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。これに対して、図７Ｂは、前記第３実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００７２】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池用ガスケットとして有用である。【００７４】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
2010100906.tif 000003
【図２Ａ】
2010100906.tif 000004
【図２Ｂ】
2010100906.tif 000005
【図２Ｃ】
2010100906.tif 000006
【図２Ｄ】
2010100906.tif 000007
【図３Ａ】
2010100906.tif 000008
【図３Ｂ】
2010100906.tif 000009
【図４Ａ】
2010100906.tif 000010
【図４Ｂ】
2010100906.tif 000011
【図４Ｃ】
2010100906.tif 000012
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
2010100906.tif 000015
【図５Ａ】
2010100906.tif 000016
【図５Ｂ】
2010100906.tif 000017
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月19日(2010.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池用ガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極（ガス拡散層を含む）とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」と
する。）と呼ぶ。
【０００３】
また、ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータがそれぞれ配置される。各セパレータにおいてＭＥＡと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面にそれぞれ溝を設けてそれぞれガス流路とする方式が一般的である。なお、このように、ＭＥＡが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を、「単電池モジュール」と言う。
【０００４】
各セパレータとＭＥＡとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給、ガス流路からの反応ガス、及び、生成水の排出は、一対のセパレータのうちの少なくとも１つのセパレータの縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔をそれぞれ設け、それぞれのガス流路の出入り口をこれらのマニホールド孔にそれぞれ連通して、各マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。
【０００５】
また、ガス流路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスが外部へリークしたり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＡにおける電極が形成されている部分、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータの間には、シール部材としてガスシール材又はガスケットが配置される。これらのガスシール材又はガスケットは、それぞれのマニホールド孔の周囲のシールをも行う。
【０００６】
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのＭＥＡ、セパレータ、及び、冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、これらのセルの各端部に集電板と絶縁板とを介して端板を配置し、一対の端板でこれらのセルを挟み、締結ボルト（ロッド）等で両端から固定するのが一般的な積層電池（燃料電池スタック）の構造である。締結方式については、各セパレータの縁部に形成された貫通孔を通し、締結ボルトで締め付ける方法、又は、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が一般的である。
【０００７】
このような積層電池においては、単電池モジュールを面内（積層方向に直交する平面内）で均一な締結力で締め付け、シールを確実に行なうことが重要である。近年では安全性保証のために、可燃ガスと外気とを確実に分離することが可能な２重シールが要求されている。しかし、低コスト化のためにスタックの小型化及び省スペース化も要求されており、２重シールが要求される場合には、締結荷重が増大し、締結部材が複雑になり、スタック体積が増大することが一般的であるため、２重シールとスタックの小型化及び低締結力化の要求とは相反することになる。
【０００８】
かかる燃料電池用のシールに関しては、特許文献１において図８に示すように、シール部の薄肉化、組立性の向上、位置ずれの防止、低面圧化、面圧の均一化等が優れているという観点から、リップ２００を平行に２つ設け、面圧を高めずにシール性を確保したガスケットを有するカーボン材が一例として考案されている。
【０００９】
また、特許文献２では、低反力化の要求に応え、リップの倒れを防止でき、相手面の微小な凹凸又は段差などでもシール性を維持することができるガスケットの一例として、図９に示す２段構造のガスケット２０１が提案されている。互いに対向する二部材のうちの一方の部材にガスケット２０１を一体成形して取り付けられ、他方に密接するガスケット２０１において、一体成形して設けたシールリップ２０２は、低反力化のために潰し容積が小さい形状を有する。
【００１０】
特許文献３には、燃料電池用ガスケットにおいて、シール部が、両方向に突出する断面略三角形状のリップよりなる内側シールと、前記内側シールの外側に位置し、両方向に突出する断面略三角形状のリップとよりなる外側シールとを有し、前記内側シールと前記外側シールとが環状の連結部により連結されてものが開示されている。このような構成により、シール性能が良好で、反力を低く抑えることが出来ると共に、ガスケットが倒れるという問題を解決するようにしている。
【００１１】
特許文献４には、シール部に、両方向シール性を備えるシールリップを設け、前記シールリップの片側または両側に、一方向シール性を備えるシールリップを設けるように構成している。このような構成により、低反力化の要求に応えることができ、リップに倒れ現象が発生してもシール機能を維持することができ、しかも相手面に微小な凹凸や段差等があってもシール機能を維持することができるようにしている。
【００１２】
特許文献５には、ゴムシートの周縁に、それぞれ四角形などの断面を有する一対の間隔規制部が配置されるとともに、一対の間隔規制部の間に山形又は三角形の断面を有するリップ線部が配置されたものが開示されている。この一対の間隔規制部は、リップ線部が所望の圧縮変形を行うように寸法を制御するものである。
【００１３】
特許文献６には、ゴム状弾性材製のガスケット本体としてのゴムが、シールリップ部を有して断面三角形状ないし山形状に形成されており、ビード状のシールリップ（ビードとも称する）付きのフラットシール構造が開示されている。また、電解質膜の両面のガスケット本体にそれぞれビード状のシールリップ部を２本ずつ設けることにより、両面の樹脂フィルムの貼付け位置が左右に多少ずれることがあっても、ガスケット本体の面圧ピーク値が低下するのを防止することができるようにしたものも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−１３３２８８号公報（第４頁、図３）
【特許文献２】特開２００５−０１６７０３号公報（第７頁、図３）
【特許文献３】特開２００７−３３５０９３号公報（第４頁、図３）
【特許文献４】特開２００４−３６０７１７号公報（第５，７頁、図５）
【特許文献５】米国特許２００８／０１１８８１１の公開公報（第３，４頁、図５，図６）
【特許文献６】米国特許２００４／００７５２２４の公開公報（第１１頁、図４，図１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、安全性保証のために可燃ガスと外気との２重シールが要求される場合には、前記した特許文献１〜６の燃料電池用ガスケットはいずれも、スタックの小型化及び省スペース化と低締結圧化と、確実なシール性の保持などの複数の課題解決を図ったものではない。特に、特許文献１は、２重に確実なシール性を保持するには、リップがそれぞれ小さいためにシール性が低くなり、特許文献２では、単純に２重シールにした場合はシールに必要な面積が大きくなるため、スタック体積及び締結圧が増大してしまう。
【００１６】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、高分子電解質型燃料電池において、確実にシール性を保証可能な２重シール構造を提供し、同時に相反する要求であるスタックの小型化及び低締結力化を実現することができる高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１８】
前記本発明の第１態様にかかる高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に一体成形して構成され、
前記シール部材としては、シール性をそれぞれ備える２列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記２列のシールリップのうちの少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて一体的に形成され、かつ、前記下側山形状部の頂点の曲率半径は前記上側山形状部の頂点の曲率半径よりも大きいことを特徴とする高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
【００１９】
本発明の第２態様によれば、前記下側山形状部の頂点の曲率半径をＲ１とし、前記上側山形状部の頂点の曲率半径をＲ２とするとき、前記曲率半径Ｒ１と前記曲率半径Ｒ２との相関関係は、
Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足し、
前記２列のシールリップの間の部分の高さは、前記膜電極接合体の表裏各面の前記セパレータで前記２列のシールリップを締め付ける高さより低く形成されている、
第１の態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
【００２０】
本発明の第３態様によれば、前記下側山形状部の頂角及び前記上側山形状部の頂角が１８°以上であり、前記２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅に対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法は６０％以下である、
第１又は２の態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
【００２１】
本発明の第４態様によれば、前記上側山形状部及び前記下側山形状部は、共に、その頂点付近の断面は円形であり、
前記上側山形状部は、前記燃料電池スタックの組立時に、前記下側山形状部の頂点の部分よりも、前記上側山形状部の頂点の部分が前記セパレータと接触して大きく弾性変形する変形容易部であり、
前記下側山形状部は、前記変形容易部が大きく弾性変形したのち前記下側山形状部の頂点の部分が変形して前記セパレータとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部である、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
【００２２】
本構成によって、２重シールの低反力化と狭幅化を実現でき、確実なシール性を保証することが可能であることにより、燃料電池スタックの低締結力化、小型化を実現する２重シール構造を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池ガスケットによれば、省スペースで低反力の２重シールを実現することができるため、スタックの低締結力化を実現し、スタックを小型化できる。さらに、安定して締結可能で、従来よりも２重にシール性を発揮することができ、締結構造を簡易化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施の形態にかかる燃料電池スタックの分解斜視図であり、
【図２Ａ】図２Ａは、図１の前記燃料電池スタックのＭＥＡとガスケット構造の概略を示す平面図であり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ａの燃料ガス流路溝に隣接するＭＥＡの燃料ガス用ガスケット構造を示す平面図であり、
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１の前記燃料電池スタックのＭＥＡとガスケット構造を示す平面図であり、
【図２Ｄ】図２Ｄは、図１の前記燃料電池スタックのカソード側セパレータ又は冷却水セパレータのガスケット構造を示す平面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、従来例にかかるガスケット構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかるガスケット構造の部分断面図）であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の図２ＡのＡ−Ａ線の断面図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかる２重シール構造の部分断面図）であって、仮想的にガスケットとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケットを使用するＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線における２重シール構造の部分断面図）であって、仮想的にガスケットとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図４Ｃ】図４Ｃは、従来例のガスケット構造におけるシール反力と本発明の前記第１実施形態のガスケット構造におけるシール反力との比較を示すグラフであり、
【図４Ｄ】図４Ｄは、従来例のガスケット構造と前記第１実施形態のガスケット構造との寸法での比較を示す部分断面説明図であり、
【図４Ｅ】図４Ｅは、締結時における、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線と同様な部分についての、従来例にかかる２重シール構造の部分断面図）であり、
【図４Ｆ】図４Ｆは、締結時における、前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケットを使用するＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造の部分断面図（図２ＡのＡ−Ａ線における２重シール構造の部分断面図）であり、
【図５Ａ】図５Ａは、前記第１実施形態の変形例を示す部分断面図であり、
【図５Ｂ】図５Ｂは、前記第１実施形態の前記ガスケットの別の変形例を示す部分断面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図であって、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、締結時における、本発明の前記第２実施形態にかかる前記ガスケット構造の部分断面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第３実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図であって、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、締結時における、本発明の前記第３実施形態にかかる前記ガスケット構造の部分断面図であり、
【図８】図８は、特許文献１における実施例の一例を示す部分断面図であり、
【図９】図９は、特許文献２における実施例の一例を示す部分断面図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、図３Ｂの前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の一部の拡大断面図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａのガスケットがセパレータに押圧された状態での拡大断面図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、従来の一段リップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、従来の一段リップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、前記第１実施形態にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、前記第１実施形態にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、前記第１実施形態の変形例にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧される直前の状態の拡大断面図であり、
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、前記第１実施形態の前記変形例にかかる二段のシールリップのガスケットがセパレータに押圧された状態の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例である燃料電池スタック３０の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック３０は、その中心部に、単電池モジュール（セル）１を複数層積層させてセル積層体２０が構成されている。なお、セル積層体２０の両端部の最外層には、集電板２と、内面に弾性体の一例としての多数の内側バネ４を有する端板３とが配置されている。頭部７ａに外側バネ５が嵌め込まれた４本の締結ボルト７が、セル積層体２０の一方の端部から、端板３と集電板２とセル積層体２０と集電板２と端板３とのそれぞれの角部のボルト孔６を貫通し、ナット８がねじ込まれて締結されるように構成されている。第１実施形態では、一例として、セル１は６０個積層されてセル積層体２０を構成し、締結部材の一例として、ボルト孔６に挿通される締結ボルト７とナット８とで締結されている。なお、締結部材は、締結ボルト７とナット８とで構成するものに限らず、締結バンドなど他の構成でもよい。
【００２７】
各集電板２は、セル積層体２０の両外側にそれぞれ配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、一例として、銅板に金メッキが施したものを使用している。なお、集電板２には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、又は、アルミニウム等を使用しても良い。また、各集電板２の表面処理には、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。各集電板２の外側には、電気を絶縁するために電気絶縁性のある材料を用いた端板３を配置し、絶縁の役割も兼用させている。ここで、端板３には、一例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて射出成形で製作したものを使用している。端板３と一体となっている各配管３ａは、セル積層体２０の各マニホールドに、マニホールド用シール部材の一例として機能しかつマニホールド用貫通穴を有するガスケット（図示せず）を介して押し当てられて連通させて構成している。各端板３の内側には、セル１に荷重を加える前記多数の内側バネ４が、電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする。）９の投影部分、つまり、セル１の内側に、集中的に均等に配置され、締め付けた状態で例えば８．４ｋＮの荷重がセル積層体２０に加えられるように締め付け寸法が管理されている。外側バネ５は、各締結ボルト７の頭部７ａと端板３の外面との間に配置されて、複数本の締結ボルト７と複数個のナット８で組立時に調整されて、例えば１０ｋＮで締結されている。
【００２８】
セル１は、表裏両面の周縁部にシール部材の一例としてのガスケット１４をそれぞれ有するＭＥＡ９を一対の導電性のセパレータ１０、具体的にはアノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃで挟み、さらに、一方のセパレータ例えばカソード側セパレータ１０Ｃの外側に冷却水セパレータ１０Ｗを配置して構成されている。各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ及びＭＥＡ９の周縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）が穿たれている。また、冷却水セパレータ１０Ｗには、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通する一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）が穿たれている。複数個のセル１が積層されたセル積層体２０の状態では、これらマニホールド孔１１が積層されて互いに連通し、燃料ガス用マニホールド１１Ａ、酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃ、冷却水用マニホールド１１Ｗをそれぞれ独立して形成している。
【００２９】
ＭＥＡ９の本体部９ａは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、及び高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の内外両面に形成された一対の電極層、すなわちアノードとカソードの電極層とより構成されている。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。
【００３０】
アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃは、平板状であって、ＭＥＡ９と接触する側の面、すなわち内面は、ＭＥＡ９の本体部９ａとガスケット１４との形状にそれぞれ対応した形状を有するように構成している。アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０Ｃのそれぞれには、一例として、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いることができる。各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｗでは、各種マニホールド孔及びボルト孔６が該各セパレータ１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｗを厚み方向に貫通している。また、各セパレータ１０Ａ，１０Ｃの内面には、それぞれ、燃料ガス流路溝１２Ａと酸化剤ガス流路溝１２Ｃとが形成され、セパレータ１０Ｗの内面（カソード側セパレータ１０Ｃ側の面）には冷却水流路溝１２Ｗが形成されている。各種マニホールド孔と、ボルト孔６と、燃料ガス流路溝１２Ａと、酸化剤ガス流路溝１２Ｃと、冷却水流路溝等１２Ｗとは、切削加工あるいは成形加工によりそれぞれ形成されている。
【００３１】
ＭＥＡ９の表面と裏面とにそれぞれ配置されたガスケット１４は、弾性体で構成されたシール部材であり、ＭＥＡ９と一体形成され、ＭＥＡ９とセパレータ１０Ａ，１０Ｃとの押圧によって、セパレータ１０Ａ，１０Ｃの内面の形状に応じてガスケット１４は変形し、ＭＥＡ９の本体部９ａの外周及びマニホールド孔１１（１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｗ）の外周がガスケット１４（１４Ａ，１４Ｃ，１４Ｗ）でシールされている。
【００３２】
一例として、図２Ｂには、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ａの燃料ガス流路溝１２Ａに隣接するＭＥＡ９の燃料ガス用ガスケット構造を示す平面図を示す。燃料ガス用マニホールド孔１１Ａと燃料ガス用本体部９ａＡとが連通する空間と、酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃと冷却水用マニホールド１１Ｗとをそれぞれ独立させるように、燃料ガス用ガスケット１４Ａで仕切るように構成している。
【００３３】
図２Ｃには、図１の前記燃料電池スタックのセパレータ１０Ｃの酸化剤ガス流路溝１２Ｃに隣接するＭＥＡ９の酸化剤ガス用ガスケット構造を示す平面図を示す。酸化剤ガス用マニホールド孔１１Ｃと酸化剤ガス用本体部９ａＣとが連通する空間と、燃料ガス用マニホールド１１Ａと冷却水用マニホールド１１Ｗとをそれぞれ独立させるように、酸化剤ガス用ガスケット１４Ｃで仕切るように構成している。
【００３４】
図２Ｄには、図１の前記燃料電池スタックのカソード側セパレータ１０Ｃ又は冷却水セパレータ１０Ｗの冷却水用ガスケット構造を示す平面図を示す。冷却水用マニホールド孔１１Ｗと冷却水流路溝１２Ｗとが連通する空間と、燃料ガス用マニホールド１１Ａと酸化剤ガス用マニホールド１１Ｃとをそれぞれ独立させるように、冷却水用ガスケット１４Ｗで仕切るように構成している。
【００３５】
アノード側セパレータ１０Ａ及びカソード側セパレータ１０ＣのＭＥＡ９と反対側の背面（外面）には、各種マニホールド孔１１の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズパッキン等の一般的なシール部材（図示せず）が配設されている。このパッキンなどのシール部材によって、隣接するセル１間において、各種マニホールド孔１１のセル１間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれの漏出が防止される。
【００３６】
ここで、図２Ａに、前記第１実施形態における燃料電池スタック３０のＭＥＡ９のより具体的な構造の平面図を示す。ＭＥＡ９の外周部に枠体１３が成形され、ＭＥＡ９の本体部９ａ及びマニホールド孔１１の外周にガスケット１４を成形して配置している。ＭＥＡ９の本体部９ａと枠体１３と、ガスケット１４との部分断面Ａ−Ａを図３Ｂに示す。図３Ａには、従来例のＭＥＡ１０９において同様な部分で切断したときのガスケット構造の部分断面図、図３Ｂに前記第１実施形態のガスケット１４の構造の部分断面図を示す。
【００３７】
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、ＭＥＡ１０９，９の外周に、樹脂から成る枠体１１３，１３を成形により設け、枠体１１３，１３上の上下面にガスケット１１４，１４を一体成形している。ここで、従来例と前記第１実施形態とでは、枠体１１３，１３の上下面に成形されたガスケット１１４−１，１４−１とガスケット１１４−２，１４−２はそれぞれ上下で同じ断面形状を持っている。
【００３８】
前記第１実施形態では、枠体１３の上下面に成形されたガスケット１４−１とガスケット１４−２はそれぞれ上下で同じ断面形状を持つものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図３ＢのＭＥＡ９の上下内部に流れる流体の種類、温度、又は、圧力条件などによっては、上面を従来例のガスケット形状とする一方、下面のみを前記第１実施形態のガスケット１４の形状としてもよい。より具体的には、例えば、上面を冷却水のみが流れる場合には、上面を従来のガスケット１１４によるシールとすることが好ましく、下面を可燃ガス又は酸化剤ガスが流れる場合には、前記第１実施形態の２重シールのガスケット１４を採用すると、上面よりも厳格なシール性が要求される下面において、前記第１実施形態にかかる顕著な効果を発揮することができる。
【００３９】
さらに、それぞれ上下面に図６Ａ、図７Ａに後記する応用例の２重シールのガスケット形状を個別に配置しても、２重シールの効果を発揮することができる。また、一例として、枠体１３としてはグラスファイバー添加ポリプロピレン、ガスケット１４としてはオレフィン系熱可塑性エラストマの一種を使用することができる。ガスケット材料として、熱硬化樹脂は成形時の流動性が非常に高く、ＭＥＡ９の電極にまで含浸してしまうため、熱可塑性樹脂の方が好ましい。また、枠体１３とガスケット１４のそれぞれは、接着性を材料自体が有するものを使用すると、さらにシール性は向上する。
【００４０】
図３Ａは、従来のガスケット１１４の構造を示した部分断面図であり、シールリップ１１４ａは１段の山形状の構造となっている。
【００４１】
図３Ｂは、前記第１実施形態のシール構造を示した部分断面図である。上下のガスケット１４−１と１４−２は同じ形状をしているため、上側のガスケット１４−１を代表例として、以下、説明する。枠体１３に一体成形されたガスケット１４−１は、ＭＥＡ９の本体部９ａの外形である四角形の各辺と並列にＭＥＡ９の面内で平行して２列連続した、四角形枠形状の第１シールリップ１５と四角形枠形状の第２シールリップ１６とで構成し、第１シールリップ１５及び第２シールリップ１６はそれぞれ図３Ｂの上下方向（厚み方向）に２段の山形状で構成している。
【００４２】
より詳細には、ガスケット１４−１は、図３Ｂの断面図において、外気側（図３Ｂの右側）に配置された第１シールリップ１５が、枠体１３の表面から隆起した第１段目の第１下側山形状部１５Ｍと、第１下側山形状部１５Ｍの縦断面円形状の頂点としての第１下側頂点１５Ｂと、第１下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の第１上側山形状部１５Ｎと、第１上側山形状部１５Ｎの縦断面円形状の頂点としての第１上側頂点１５Ｃとで形成されている。平面的に見ても、第１上側山形状部１５Ｎの底面部分の直径は、第１下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近の直径よりも小さくして、第１上側山形状部１５Ｎと第１下側山形状部１５Ｍとのつなぎ目で段部が形成されるようにしている。また、ＭＥＡ９の本体部９ａ側（図３Ｂの左側）に配置された第２シールリップ１６も同様に、枠体１３の表面から隆起した第１段目の第２下側山形状部１６Ｍと、第２下側山形状部１６Ｍの頂点としての第２下側頂点１６Ｂと、第２下側山形状部１６Ｍの頂点１６Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の第２上側山形状部１６Ｎと、第２上側山形状部１６Ｎの頂点としての第２上側頂点１６Ｃとで形成されている。平面的に見ても、第２上側山形状部１６Ｎの底面部分の直径は、第２下側山形状部１６Ｍの頂点１６Ｂの付近の直径よりも小さくして、第２上側山形状部１６Ｎと第２下側山形状部１６Ｍとのつなぎ目で段部が形成されるようにしている。そして、さらに、第１下側山形状部１５Ｍの底部と第２下側山形状部１６Ｍの底部とが一体となって連続部１４Ｐを形成して、第１及び第２シールリップ１５，１６間が連続した形状となるようにしている。第１及び第２シールリップ１５，１６間の連続部１４Ｐの高さＨ２は、枠体１３からスタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１よりも低く設定している。このようにＨ１＞Ｈ２とすることにより、低反力化が実現され、狭い範囲で２重シールを成形可能となる。言い換えれば、逆に、連続部１４Ｐの高さＨ２は、枠体１３からスタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１と同等か又はそれよりも高く設定すれば、セパレータ保持位置の高さＨ１まで第１及び第２シールリップ１５，１６及び連続部１４Ｐを弾性変形させる必要が生じて、反力が大きくなり、２重シールではなく１重シールとなってしまうためである。このような場合に、確実に２重シールを達成しようとすると、第１及び第２シールリップ１５，１６の間隔を大きくしなければならず、狭い範囲で２重シールを成形することが不可能となる。なお、第１下側頂点１５Ｂと、第１上側頂点１５Ｃと、第２下側頂点１６Ｂと、第２上側頂点１６Ｃとのそれぞれの高さは、スタック組立後のセパレータ保持位置までの高さＨ１よりも高く設定して、スタック組立時に弾性的に確実に変形するようにしている。
【００４３】
図１０Ａは、図３Ｂの前記第１実施形態にかかる前記燃料電池スタックのガスケット構造の一部の拡大断面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａのガスケットがセパレータに押圧された状態での拡大断面図である。ここで、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの底面の幅をＷとし、連続部１４Ｐの幅をｄとし、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの底面から上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎの頂点部１５Ｃ，１６Ｃまでの高さをｈとすると、Ｗ＞ｈ＞０でかつＷ＞ｄ＞０とすることが好ましい。その理由は、以下のとおりである。
【００４４】
まず、Ｗ＞ｈ＞０が好ましい理由は、シールリップ１５，１６の安定性のためである。高さｈが幅Ｗよりも大きい場合には、シールリップ１５，１６が不安定になりやすいためである。
【００４５】
次に、Ｗ＞ｄが好ましい理由は、幅ｄが大き過ぎると、全体の寸法が大きくなるとともに、シールリップ１５，１６の圧縮時に、２つのシールリップ１５，１６間の連続部１４Ｐで形成される凹部７２の空間体積が大きくなる。凹部７２の空間体積が大きくなると、当該凹部７２の空間内に混入した水分の温度が低下して凍結状態になると、水が凍る際に水の体積が増大する。例えば、図４Ａに示すように、前記従来例のガスケットを用いたＭＥＡと一対のセパレータとの２重シール構造では、全体の寸法がさらに大きくなるとともに、２重シール構造間の間隔がさらに大きくなり、凹部７２の空間体積がさらに大きくなって、当該凹部７２の空間内に混入した水分の温度が低下して凍結状態になると、水が凍る際に水の体積がさらに増大することになる。ここで、シールリップ１５，１６の図１０Ａにおける上下面のセパレータ１０などはシール材料よりも強度が大きいため、水分（水）の体積が増大する際に発生する力が、セパレータ１０などよりも、シールリップ１５，１６に作用し、シールリップ１５，１６を図１０Ｂにおける左右方向に押すことになり、シールリップ１５，１６が倒れやすくなる。シールリップ１５，１６が倒れるとリークが発生してしまう。そこで、このようなリークを確実に防止するためには、前記凹部７２の空間の体積が最小になるように寸法設定する必要がある。このため、Ｗ＞ｄとする必要がある。
【００４６】
さらに、ｄ＞０が好ましい理由は、シールリップ１５，１６の圧縮時に凹部７２の空間が全くの残らない場合には、シールリップ１５，１６が圧縮されるとき、２つのシールリップ１５，１６が相互に押し合い、シールリップ１５，１６が倒れやすくなって好ましくない。このような状態を防止するためには、幅ｄは少なくとも正の値とする必要がある。
【００４７】
これらの理由から、Ｗ＞ｈ＞０でかつＷ＞ｄ＞０とすることが好ましい。
【００４８】
また、締結圧力を小さくしつつ、所定のシール耐圧を確保するためには、各シールリップ１５，１６は、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍと上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎとで構成される二段リップ（２段の山形状の構造）が効果的である理由について説明する。
【００４９】
まず、比較のため、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、従来のように一段リップ（１段の山形状の構造）の場合には、一段の山形状部１１４ａの頂部１１４ｂがセパレータ１１０に当接すると、山形状部１１４ａの頂部１１４ｂが、弾性変形により、つぶれて圧縮される。セパレータ１１０から受ける力をＰとすると、山形状部１１４ａの頂部１１４ｂがつぶれて圧縮された部分７０での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７０の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。
【００５０】
一方、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、第１実施形態のように二段リップ（２段の山形状の構造）の場合には、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とがセパレータ１０にそれぞれ当接すると、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とが、それぞれ、弾性変形によりつぶれて圧縮される。セパレータ１０から受ける力をＰとすると、つぶれて圧縮された部分７１での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７１の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。このとき、シールリップ１５，１６のシール耐圧は、ピーク面圧ＰＭＡＸで決定される。このピーク面圧ＰＭＡＸがガスの圧力よりも高ければ、シールを行うことができる。
【００５１】
ここで、図１１Ｂと図１１Ｄとを比べるとよくわかるように、クロスハッチング部分の面積で示された締結圧力は、従来の図１１Ｂよりも、第１実施形態の図１１Ｄの方が小さくなっており、締結圧力が小さくなっていることが明確にわかる。また、ピーク面圧ＰＭＡＸは、図１１Ｂと図１１Ｄとでは、ほぼ同じである。
【００５２】
さらに、本実施形態のように二段リップの場合の変形例としての二山タイプ（２段の山形状の構造でかつ上側の山形状部が複数個有している構造）は、下側山形状部１５Ｍの頂点１５Ｂの付近からさらに隆起した第２段目の複数の上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２を有するものである。具体的には図示しないが、他方のシールリップ１６も同様に有することができる。このような構成では、シールリップ１５においては、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２のすべてと、下側山形状部１５Ｍの一部とがセパレータ１０に当接すると、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２のすべてと、下側山形状部１５Ｍの一部とが、それぞれ、弾性変形により、つぶれて圧縮される。セパレータ１０から受ける力をＰとすると、つぶれて圧縮された部分７３での締結圧力はΣＰで表され、圧縮された部分７３の面積で決まることになる（クロスハッチング部分参照）。
【００５３】
このとき、シール耐圧の最大値は、上側山形状部１５Ｎ−１，１５Ｎ−２がそれぞれ圧縮された二箇所で、ガスの圧力よりも高いピーク面圧ＰＭＡＸが発生することになる。この結果、ピーク面圧ＰＭＡＸが二箇所で発生させることができて、シール機能をより安定して発揮することができる。なお、図１１Ｆの前記二箇所のそれぞれのピーク面圧ＰＭＡＸは、図１１Ｂと図１１Ｄとほぼ同じである。
【００５４】
前記第１実施形態では、第１シールリップ１５と第２シールリップ１６は鏡上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎのすべてと、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの一部とが面対称となっており、頂点の曲率半径は、第１下側頂点１５Ｂと第２下側頂点１６Ｂとでは同じとし、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃとでは同じとしている。しかしながら、後述するように、本発明はこれに限定されるものではなく、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃとで異なる曲率半径を用いてもよい。第１下側頂点１５Ｂと第２下側頂点１６Ｂの曲率半径をそれぞれＲ１、第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃの曲率半径をそれぞれＲ２とすると、その相関関係は、Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足するのが、本発明の効果をより確実に達成する上で好ましい。ここで、一例として、曲率半径Ｒ２としては０．２〜０．６ｍｍが望ましく、前記第１実施形態では曲率半径Ｒ２に０．３ｍｍを採用することができる。第１及び第２シールリップ１５，１６をそれぞれ２段の山形状部で構成し、２段の山形状部の頂点の曲率半径Ｒ１とＲ２をＲ１×０．５≧Ｒ２に設定することにより、第１及び第２シールリップ１５，１６の第１上側頂点１５Ｃと第２上側頂点１６Ｃの２箇所で弾性変形してセパレータ１０Ａ又は１０Ｃに対して集中的にシールすることになり（言い換えれば、断面において、第１上側頂点１５Ｃの頂点を通過する中心線上で集中的にシール性が向上することになり）、小さな反力で、２重のシール性を確実に確保することが可能となる。特に、頂点の曲率半径Ｒ２をＲ１×０．５≧Ｒ２に設定することにより、ガスケット１４の形状を安定して成形することが出来るだけではなく、スタック組立時にガスケット１４を安定して締結することができ、シール性を保証することが可能となる。すなわち、頂点の曲率半径Ｒ２がＲ１×０．５よりも小さければ、成形性が悪くなる（ショート（成形樹脂の充填不足）が発生するなどの）ためであるとともに、スタック締結時にシールによじれが発生したり、均一に荷重がかからなくなるためである。また、前記第１実施形態では第１シールリップ１５と第２シールリップ１６の頂点形状を一致させているが、前記の相関関係を満足していれば、第１シールリップ１５と第２シールリップ１６の頂点を互いに異なる頂点形状に変更しても前記の効果を発揮する。
【００５５】
また、前記第１実施形態では、各下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１の中心位置と各上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎの上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心位置とを一直線上に一致させているが、ＭＥＡ９の内外の環境又はＭＥＡ９へ供給するガス又は水の圧力負荷状況によっては、上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心位置を、下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１の中心位置に対して、ＭＥＡ９側、若しくは、外気側へそれぞれ下側頂点１５Ｂ，１６Ｂの曲率半径Ｒ１と上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の端部が一致するまでの範囲内で移動させるようにしてもよい。特に、ＭＥＡ９へ供給するガス又は水の内圧が大きい場合には、第２シールリップ１６の上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２の中心をＭＥＡ９側に移動させたり、上側頂点１５Ｃ，１６Ｃの曲率半径Ｒ２を前記範囲内で大きめに（例えば、（Ｒ１×０．５≧Ｒ２）の範囲でかつ曲率半径Ｒ２を最大値に近い値に）設定すると、内圧による第２シールリップ１６の上側頂点１６Ｃのズレがなくなり、内圧負荷時のシール性向上に効果がある。
【００５６】
スタック組立時に第１及び第２シールリップ１５，１６の倒れを確実に防止し、安定性を確実に向上させるために、第１及び第２シールリップ１５，１６の頂角θはそれぞれ１８°以上あることが望ましい。低締結力化を確実に図るため及びガスケット本体の面圧ピーク値の低下を防止する観点から、頂角θの上限値は９０度である。
【００５７】
さらに、第１及び第２シールリップ１５，１６の合計高さ（枠体１３の表面から第２シールリップ１６の頂点までの厚さ方向の寸法）Ｈと全幅Ｄ（第１及び第２シールリップ１５，１６の両方の幅の合計（第１シールリップ１５の外端から第２シールリップ１６の内端までの寸法））の比（Ｈ／Ｄ）は、Ｈ／Ｄ≦０．６が望ましい。言い換えれば、２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅Ｄに対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法Ｈは６０％以下であることが望ましい。前記比（Ｈ／Ｄ）の下限値は０．１である。前記比（Ｈ／Ｄ）の下限値が０．１未満では、材料使用量が多くなる割には、シール効果が上がらなくなるためである。
【００５８】
全幅Ｄは、０．５〜５．０ｍｍが最適である。なお、ここで、幅とは、前記シールリップの厚さ方向と直交しかつ前記シールリップの延在方向と直交する方向沿いの寸法を指す。ここでは、一つの実例として、頂角θ＝１８°、高さＨと全幅Ｄの比（Ｈ／Ｄ）としては、  Ｈ／Ｄ＝０．６  を採用することができる。頂角θが前記１８°よりも小さい場合、又は、第１及び第２シールリップ１５，１６の高さＨと全幅Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が前記０．６よりも大きい場合には、スタック組立の際の締付荷重負荷時に第１及び第２シールリップ１５，１６の頂点が不安定になり横倒れが発生する可能性があり、横倒れが発生すると、シール性を発揮することが出来ないことになる。スタック３０の小型化及び単電池モジュール１の薄型化を確実に実現するためにも、第１及び第２シールリップ１５，１６はシール性を発揮可能な一番低い高さで、全幅Ｄも出来る限り狭い方が望ましいため、前記したように、Ｈ／Ｄ≦０．６を満足させることが好ましい。
【００５９】
本発明の前記第１実施形態では、第１及び第２シールリップ１５，１６を２段にし、第１段目の下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍよりも平面的に小さくかつ断面的に小さな曲率半径を有する第２段目の上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎを、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの上に配置している。このように構成することにより、スタック組立時にセパレータ１０Ａ，１０Ｃに、最初に、上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが接触して、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍよりも、容易にかつ大きく弾性変形することができる変形容易部として上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが機能するようにしている。上側山形状部１５Ｎ，１６Ｎが変形容易部として大きく弾性変形したのち、下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍの頂点の部分が変形してセパレータ１０Ａ，１０Ｃとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部として下側山形状部１５Ｍ，１６Ｍが機能する。この結果、スタック組立の際の締付荷重負荷時に第１及び第２シールリップ１５，１６の頂点がセパレータ１０Ａ又は１０Ｃの対向面に対して安定して接触して弾性変形を開始することになり、第１及び第２シールリップ１５，１６の横倒れを確実に防止することができ、シール性を確実に発揮することができる。よって、スタック３０の小型化及び単電池モジュール１の薄型化を確実に実現することができる。さらに、第１及び第２シールリップ１５，１６がそれぞれセパレータ１０Ａ又は１０Ｃの対向面に接触してシール性を発揮することにより、二重にシールすることができ、確実にシール性を保証可能な２重シール構造を提供することができる。よって、従来よりもシール性が向上するために、従来例よりもシール高さを低くすることができ、反力を小さくすることができるという効果も発揮される。また、枠体１３とガスケット１４の材料として互いに接着性の無いものをそれぞれ使用した場合には、全幅Ｄを大きく設定したり、若しくは、枠体１３のガスケット１４を成形させる部分の表面の表面粗さを粗くしたりすると、シール性の向上に効果がある。ガスケット１４は、合成ゴム、ＥＰＤＭ、又は、シリコーンなどの樹脂材料でも形成することができる。
【００６０】
次に、前記第１実施形態の形状のガスケット１４を、従来の形状のガスケット１１４と比較しながら説明する。
【００６１】
図４Ａは従来の形状のガスケット１１４を２個並列させてセパレータ１１０に接触させるように配置して２重シールを構成するようにした場合の単電池モジュール１の部分断面図、図４Ｂは前記第１実施形態の形状のガスケット１４での単電池モジュール１の部分断面図である。なお、図４Ａ及び図４Ｂは、共に、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にガスケット１１４とセパレータ１１０とを組み付けた状態の図であるため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。
【００６２】
図４Ｃは、図４Ａの従来のガスケット形状で２重シールにした場合に発生するシール反力と、図４Ｂの本発明の前記第１実施形態のガスケット形状の場合に発生するシール反力とを比較したシミュレーション結果を示すグラフである。シミュレーションは、汎用構造解析ソフトＡＢＡＱＵＳで実施した。本発明の前記第１実施形態のガスケット１４の形状では、従来例より最大４０％程度反力が低減し、スタック３０の低締結圧化を実現することが可能である。また、実験でもシミュレーションと同様の結果を得た。
【００６３】
さらに、図４Ｄに示す通り、本発明の前記第１実施形態のガスケット１４の形状は、従来例の形状のガスケット１１４を２個並列させて構成された２重シール構造と比較して、単電池モジュール１においてガスケット１４の占有面積が少なくて済むため、省スペースが可能となり、スタック３０の小型化が可能となる。
【００６４】
図４Ｅは、図４Ａの従来の形状のガスケット１１４を２個並列させてセパレータ１１０に接触させるように配置して２重シールを構成するようにした場合の単電池モジュール１の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６５】
図４Ｆは、図４Ｂの前記第１実施形態の形状のガスケット１４での単電池モジュール１の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６６】
図５Ａ及び図５Ｂは、前記第１実施形態の変形例をそれぞれ示した図である。図５Ａは、ガスケット１４の底面が、枠体１３側に埋没した構造となっている。言い換えれば、ガスケット１４を配置する枠体１３の表面に凹部１３ａを予め形成し、この凹部１３ａ内にガスケット１４を嵌合配置している。このように枠体１３に埋没するようにガスケット１４を形成することにより、ガスケット１４の周囲を凹部１３ａの縁部１３ｂで囲むことができて、ガスケット１４の締結時に枠体１３がガスケット１４の平面方向への広がりを縁部１３ｂでせき止めることができるため、シール性はさらに向上する。さらに、図５Ｂのように、第１及び第２シールリップ１５，１６の片側だけ枠体１３に埋没している形状（言い換えれば、図５Ｂで、第１シールリップ１５のＭＥＡ９の本体部９ａ側だけ、枠体１３の隆起部１３ｃで支持されている形状）でも、シール性が向上するという同様の効果を現す。
【００６７】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように、その他種々の態様で実施できる。
【００６８】
（第２実施形態）
図６Ａは、本発明の第２実施形態のシール構造の部分断面図を示している。外気側の第１シールリップ１５が前記第１実施形態と同じ２段リップ構造であるのに対して、ＭＥＡ側の第３シールリップ１８が１段リップ構造をしている。第３シールリップ１８は、２段の山形状の代わりに、頂点が縦断面円形状の１つの山形状としてもよい。このように、内外が異なる環境の場合に、それぞれの環境に適したシールリップ形状とすることにより、運転条件又は環境条件によっては、第１実施形態の効果に加え、シール性を、より一層、長期的に向上させる効果を発揮することができる。以下、このことについて、説明する。なお、図６Ａは、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であるため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。これに対して、図６Ｂは、前記第２実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００６９】
燃料電池スタック３０の単電池モジュール１の内部は、水蒸気と水と水素と酸素との雰囲気であり、ＭＥＡ側に配置されたシールリップに対しては最大数百ＭＰａの内圧が負荷されるのに対して、外気は空気雰囲気であり、外気側に配置されたシールリップに対しては圧力無負荷となる。第１実施形態のような２重シール構造を採用する場合、単電池モジュール１の内部のＭＥＡ９と接するシールリップは耐水性及び耐水蒸気性、並びに、耐圧力性を併せ持つ必要があり、外気と接するシールリップは、空気に対する耐久性の保持が必要となる。ＭＥＡ９側のシールリップとして、第１実施形態の第２シールリップ１６に代えて第３シールリップ１８を配置すれば、第３シールリップ１８はセパレータ１０Ａ又は１０Ｃとの接触面積が第２シールリップ１６よりも大きくなる。このため、燃料ガス及び酸化ガスの内圧が負荷した場合でも耐圧に強く、より一層、長期にわたりシール性をより確実に保持することが可能であり、さらに、水蒸気及び水環境下での耐性もより一層高い構造とすることができる。すなわち、ＭＥＡ側の内圧が非常に大きくかかる場合には、第３シールリップ１８の形状にすれば、より一層、長期的にシール性を向上させることができる。また、単電池モジュール１の温度は燃料電池スタック３０の起動中には８０℃程度まで上昇するため、特にＭＥＡ９側のシールリップには耐熱性も求められる。この第２実施形態では、ガスケット１４の材料として耐熱性のある熱可塑性エラストマを使用することができる。
【００７０】
なお、材料又は内外の環境によっては（例えば、ＭＥＡ側のシールには圧力が負荷されず、外気側は低温下になる場合には）、図６Ａの配置とは逆に、内側（ＭＥＡ側）に２段のシールリップ構造、外側（外気側）に１段シールリップ構造を採用しても、シール性向上及び長期的なシール性保持に対して効果がある。
【００７１】
（第３実施形態）
図７Ａは、本発明の第３実施形態のシール構造の部分断面図を示している。このガスケット１４は、ＭＥＡ９側の第２シールリップ１６が２段の山形状の構造とし、外気側のシールリップ１７は板状で対向する相手側のセパレータ１０Ａ又は１０Ｃに縦断面円形かつ凸形状の凸部２４を形成している。第２実施形態２と同様に、第２シールリップ１６で確実なシール性を保持することができ、さらに、外気側のシールリップ１７と凸部２４とで、小さな締結力でシール性を確保することが可能となる。また、材料又は内外の環境によっては、内側に板状構造のシールリップ１７を配置し、外側に２段の山形状の第２シールリップ１６を採用しても効果がある。なお、図７Ａは、セパレータのシール溝形状が分かりやすいようにセパレータ形状を図示したものであって、締結時の断面を示すものではなく、仮想的にＭＥＡとセパレータとを組み付けた状態の図であるいため、シールが弾性変形を全くしていない状態で図示している。これに対して、図７Ｂは、前記第３実施形態にかかるガスケット構造の部分断面図において、締結時の断面を示すものであって、シールが弾性変形をしている状態の図である。
【００７２】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池用ガスケットとして有用である。
【００７４】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に配置され、
前記シール部材としては、前記セパレータとの間で発揮可能なシール性をそれぞれ備える２列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記２列のシールリップのうちの少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて形成され、かつ、前記下側山形状部の頂点の曲率半径は前記上側山形状部の頂点の曲率半径よりも大きいと共に、前記下側山形状部の底面の幅をＷ、隣合う下側山形状部の間隔をｄ、前記下側山形状部の前記底面から前記上側山形状部の頂点部までの高さをｈとした場合、Ｗ＞ｈ＞０、かつ、Ｗ＞ｄ＞０である、高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項２】
前記下側山形状部の頂点の曲率半径をＲ１とし、前記上側山形状部の頂点の曲率半径をＲ２とするとき、前記曲率半径Ｒ１と前記曲率半径Ｒ２との相関関係は、
Ｒ１×０．５≧Ｒ２  を満足し、
前記２列のシールリップの間の部分の高さは、前記膜電極接合体の表裏各面の前記セパレータで前記２列のシールリップを締め付ける高さより低く形成されている、
請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項３】
前記下側山形状部の頂角及び前記上側山形状部の頂角が１８°以上であり、前記２列のシールリップの厚さ方向と直交しかつ前記２列のシールリップの延在方向と直交する方向沿いの全幅に対して、前記膜電極接合体の外周の表面から前記上側山形状部の頂点までの厚さ方向の寸法は６０％以下である、
請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【請求項４】
前記上側山形状部及び前記下側山形状部は、共に、その頂点付近の断面は円形であり、
前記上側山形状部は、前記燃料電池スタックの組立時に、前記下側山形状部の頂点の部分よりも、前記上側山形状部の頂点の部分が前記セパレータと接触して大きく弾性変形する変形容易部であり、
前記下側山形状部は、前記変形容易部が大きく弾性変形したのち前記下側山形状部の頂点の部分が変形して前記セパレータとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010100906.tif 000032
【図２Ａ】
2010100906.tif 000033
【図２Ｂ】
2010100906.tif 000034
【図２Ｃ】
2010100906.tif 000035
【図２Ｄ】
2010100906.tif 000036
【図３Ａ】
2010100906.tif 000037
【図３Ｂ】
2010100906.tif 000038
【図４Ａ】
2010100906.tif 000039
【図４Ｂ】
2010100906.tif 000040
【図４Ｃ】
2010100906.tif 000041
【図４Ｄ】
2010100906.tif 000042
【図４Ｅ】
2010100906.tif 000043
【図４Ｆ】
2010100906.tif 000044
【図５Ａ】
2010100906.tif 000045
【図５Ｂ】
2010100906.tif 000046
【図６Ａ】
2010100906.tif 000047
【図６Ｂ】
2010100906.tif 000048
【図７Ａ】
2010100906.tif 000049
【図７Ｂ】
2010100906.tif 000050
【図８】
2010100906.tif 000051
【図９】
2010100906.tif 000052
【図１０Ａ】
2010100906.tif 000053
【図１０Ｂ】
2010100906.tif 000054
【図１１Ａ】
2010100906.tif 000055
【図１１Ｂ】
2010100906.tif 000056
【図１１Ｃ】
2010100906.tif 000057
【図１１Ｄ】
2010100906.tif 000058
【図１１Ｅ】
2010100906.tif 000059
【図１１Ｆ】
2010100906.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月29日(2011.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
前記本発明の第１態様にかかる高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に配置され、
前記シール部材としては、シール性をそれぞれ備える２列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記２列のシールリップのうちの少なくとも外側のシールリップが、下側山形状部の上に上側山形状部を重ねて形成され、かつ、前記下側山形状部の頂点の曲率半径は前記上側山形状部の頂点の曲率半径よりも大きいと共に、前記下側山形状部の底面の幅をＷ、隣合う下側山形状部の間隔をｄ、前記下側山形状部の前記底面から前記上側山形状部の頂点部までの高さをｈとした場合、Ｗ＞ｈ＞０、かつ、Ｗ＞ｄ＞０である、高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
【国際調査報告】
2010100906.tif 000061
2010100906.tif 000062
2010100906.tif 000063
2010100906.tif 000064