(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ガスケットの設計を改善することである。【解決手段】圧縮可能材料から形成される、燃料電池の内面を封止するガスケットであって、対向面である第１流体フローフィールドプレートと、第２流体フローフィールドプレートのそれぞれに当たって流体封止する第１封止面と第２封止面を含み、さらに、膜電極接合体の第１面の外周部に当たって封止し、完全に、第２封止面の内周により画定される境界の内側にある第３封止面を含む。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体フローフィールドプレートと、第２流体フローフィールドプレートと、膜電極接合体と、ガスケットとを含む燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、第１及び第２の対向する面を有し、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に設けられ、
前記ガスケットは、
前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に広がって、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートとともに、それぞれ第１封止面と第２封止面とを形成し、
さらに第３封止面を画定して、前記第３封止面により前記膜電極接合体の一方の面のみと接触している、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記第３封止面は、内部で前記第２封止面に隣接している、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記第３封止面は、前記第１封止面及び前記第２封止面と実質的に平行な平面である、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記第３封止面が、前記第２封止面に対し、少なくとも部分的に斜めとなるように設けられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記ガスケットは、前記第２封止面と前記第３封止面の間に段状の外形を画定している、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記ガスケットは、前記第３封止面の近傍に、前記第２封止面と比べて圧縮率を増加した部分を有している、
燃料電池。
【請求項７】
第１封止面と、第２封止面と、第３封止面とを含み、燃料電池の内面を封止するガスケットであって、
前記第１封止面と前記第２封止面は、前記ガスケットの対向面のそれぞれにあり、
前記第３封止面は、完全に、前記第２封止面の内周により画定される境界の内側にあり、
前記第２封止面と前記第３封止面の間に段状の外形が画定されている、
ガスケット。
【請求項８】
請求項７に記載されたガスケットであって、
前記第２封止面と、前記第１封止面の対応する部分の間に広がるガスケットの第１部位の厚さが、前記第３封止面と、前記第１封止面の対応する部分の間に広がるガスケットの第２部位よりも大きい、
ガスケット。
【請求項９】
請求項７に記載されたガスケットであって、
複数の窪みが前記第３封止面の近傍に設けられていることによって、前記第３封止面のガスケットの部位の圧縮率が増加している、
ガスケット。
【請求項１０】
請求項７に記載されたガスケットであって、
複数の窪みが前記第１封止面及び前記第２封止面の近傍に設けられていることによって、それぞれ、前記第１封止面と前記第２封止面のガスケットの部位の圧縮率が増加している、
ガスケット。
【請求項１１】
燃料電池の積層体の形成方法であって、
（ｉ）第１流体フローフィールドプレートを設け、
（ii）前記第１流体フローフィールドプレートの上にガスケットを置き、前記ガスケットは、第１封止面と、第２封止面と、第３封止面とを有し、前記第３封止面は、前記第２封止面の内周により画定される境界に完全に囲まれ、前記第１封止面は、前記第１流体フローフィールドプレートの上にあり、
（iii）前記ガスケットの上に膜電極接合体を置き、前記膜電極接合体の第１面の周囲の端部が、前記ガスケットの前記第３封止面に重ねられ、
（ｉｖ）前記膜電極接合体と前記ガスケットの上に第２流体フローフィールドプレートを置き、前記第２流体フローフィールドプレートは、前記第２封止面と前記膜電極接合体の第２面に重なり、
（ｖ）前記ガスケットと前記膜電極接合体にわたって、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に圧縮圧力をかけて、（ｉ）前記ガスケットの前記第１封止面と前記第１流体フローフィールドプレートの間と、（ii）前記ガスケットの前記第２封止面と前記第２流体フローフィールドプレートの間と、（iii）前記ガスケットの前記第３封止面と前記膜電極接合体の間に、流体封止を設け、前記ガスケットは、前記膜電極接合体の一方の面にのみ当たって封止する、順次のステップを含む、
燃料電池の積層体の形成方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された燃料電池の積層体の形成方法であって、
前記ステップ（ｉ）または前記ステップ（ii）の後に、前記ガスケットの内周の内側において、前記第１流体フローフィールドプレートの上に第１拡散層を置くステップと、
前記ステップ（iii）の後に、前記膜電極接合体の上に第２拡散層を置くステップとを、さらに含む、
燃料電池の積層体の形成方法。
【請求項１３】
実質的に図７〜１２を参照してここに記載されたガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスケットに関する。特に、燃料電池の積層体に用いられるガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料及び酸化剤を電気エネルギー及び化学反応生成物に変換する。図１に、従来の燃料電池１０の典型的な層構造を示す。ここでは、明瞭化のため、様々な層を分解した状態で図示している。固体高分子イオン交換膜１１は、陽極１２及び陰極１３の間に挟まれている。陽極１２及び陰極１３は、典型的には、両者ともに、多孔質カーボン等の電気的伝導性のある多孔質体で形成され、この多孔質体には、プラチナ及び／又は他の貴金属触媒の微粒子が付着している。陽極１２及び陰極１３は、膜１１の各隣接面にそれぞれ直接接合されることがよくある。この接合体は、一般に、まとめて膜電極接合体（membrane−electrode assembly)、即ち、ＭＥＡ１７と称される。
【０００３】
高分子膜と多孔質電極層とを挟んでいるのは、陽極側の流体フローフィールドプレート１４及び陰極側の流体フローフィールドプレート１５である。また中間背面層１２ａ及び１３ａは、ここでは「ディフューザ（diffuser）」または拡散層としても言及されるが、陽極側の流体フローフィールドプレート１４と陽極１２との間、及び、陰極側の流体フローフィールドプレート１５と陰極１３の間で用いられる。背面層は、多孔質であり、陽極表面及び陰極表面の供給ガス、又は排出ガスを効果的に拡散させるとともに、気相水及び液相水の管理を補助するように作られている。
【０００４】
流体フローフィールドプレート１４，１５は伝導性の非多孔質体から形成されており、これらによって陽極１２又は陰極１３がそれぞれ導通している。同時に、上記２つの流体フローフィールドプレートによって、流体燃料、酸化剤、及び／又は、反応生成物を、多孔質電極１２，１３への供給すること、及び／又は、多孔質電極１２，１３から排出することが容易となる。これは、一般的には、多孔質電極１２，１３に対向する表面にある溝、即ち、チャネル１６等のように、流体フローフィールドプレートの表面に流路を形成することにより行われる。
【０００５】
図２（ａ）を参照すると、流体フローフィールド・チャネルの従来の形態の１つには、図２（ａ）に示されるようなインレットポート２１及びアウトレットポート２２を有する陽極１４（又は陰極１５）側の流体フローフィールドプレートの面に蛇行構造２０を備えたものがある。従来設計に従えば、蛇行構造２０は、プレート１４（又は１５）の表面にチャネル１６を含み、他方、ポート２１及び２２の各々は、プレートを貫通する孔からなる。これにより、蛇行構造２０へ供給され、又は、蛇行構造２０から排出される流体が、図２（ｂ）に示されたＡ−Ａ断面の矢印のようなプレートと直交する方向に、複数のプレートから成るセルスタックの深さ分を貫通して流れる。
【０００６】
図３を参照すると、従来の燃料電池の積層体３０は、複数のプレートを積層して組み上げられている。この構成において、隣接する陽極側及び陰極側の流体フローフィールドプレートは従来方式で組み合わせられて、単一バイポーラプレート３１を形成している。単一バイポーラプレート３１は、その一方の面上に陽極チャネル３２を有し、反対の面上に陰極チャネル３３を有している。陽極チャネル３２及び陰極チャネル３３は、それぞれ、各膜電極接合体（ＭＥＡ）３４と隣接している。セルスタック全体にわたるインレット・マニホルド及びアウトレット・マニホルドは、インレットポート孔２１及びアウトレットポート孔２２を全て重ね合わせることによって設けられている。このセルスタックの様々な構成要素は、明瞭化のため、僅かに分離されて示されているが、本発明の目的に照らし、封止ガスケットを用いて一体的に圧縮されることを理解されたい。
【０００７】
図４を参照すると、従来のＭＥＡと、ディフューザの組立て部品４１とが示されている。ここで、拡散層４３は、ＭＥＡ４４の両側に設けられている。ＭＥＡ４４の内部には、一連の流体ポート４２が設けられている。これらの流体ポート４２は、対応する流体フローフィールドプレート及びガスケットの流体ポートと一致するように設けられており、これは、セルスタックに組み立てた時、ＭＥＡの面に対して垂直方向に流れる流体用のマニホルドを形成する。これらのマニホルドは、拡散層４３から、または拡散層４３へ、セルスタックの深さ分を貫通して流体を運ぶために用いられる。
【０００８】
図５は、図４のＡ−Ａ’線で示された断面を表す部分的な概略断面図である。ＭＥＡ４４は、両面に拡散層４３ａ，４３ｂが設けられ、２つの流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂの間に位置しているように示されている。封止部５４ａ〜５４ｄは、２つのガスケット５１ａ，５１ｂのそばにあるＭＥＡ４４と流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂの間に設けられている。ガスケット５１ａ，５１ｂは、ＭＥＡ４４の両側、かつ、拡散層４３ａ，４３ｂにより画定される領域の外部に位置している。疑義を避けるため、これらの封止部５４ａ〜５４ｄと、以降に描かれている他の流体封止は、燃料電池の積層体の独立した部品を示すのではなく、ＭＥＡ４４とガスケット５１ａ，５１ｂと流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂとが圧縮下にあるとき、流体封止が形成されるガスケットとの接触領域を示すことを意図したものである。
【０００９】
流体フローフィールドプレート５２ａの表面には、相対的に圧縮不可能な固片５３（shim）が設けられ、例えば、固片に設けられたチャネルを介して、流体を拡散層４３ａから、または、拡散層４３ａへ流し、及び／または、ガスケット５１ａが、圧縮時に、流体フローフィールドプレート５２ａに設けられたチャネルを閉塞しないようにする。流体封止は、固片５３にもなされるが、これは、燃料電池の動作において、他の流体の封止部５４ａ〜５４ｄよりも重要ではない。固片５３を囲む空間が、典型的には、別途、封止されるからである。したがって、この任意の流体封止は、この図及び他図において示されないものとする。
【００１０】
図５及び以降の図では、固片５３は、少なくとも部分的にディフューザ４３ａの占める領域に伸びているように示されている。ディフューザ４３ａは、例えば、固片５３内に形成されたチャネルを介して冷却水が注入される陽極側または陰極側に一致する。そのような冷却水は、やはり固片５３に連なる流路網にある流体フローフィールドプレート内の他のポート（図示せず）を介して注入される。
【００１１】
図５に示された燃料電池の積層体の従来の構成は、各ＭＥＡに、全部で４つの封止面５４ａ〜５４ｄを設け、これらの面は２つの分離したガスケット５１ａ，５１ｂ上に形成されている。燃料電池の積層体を単純化して燃料電池の全体のコストを低減するために、封止面の数、及び／または、部品数を低減した上で同じ機能を備えられると有利である。
【００１２】
部品数を減らす方法の１つは、ガスケット５１ａ，５１ｂを、図６に示す単一のガスケットに統一することである。この構成では、封止面６４ａ，６４ｄは、ガスケット６１と流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂの間にあるが、ガスケット６１の断面をＣ型形状にすることによって、同じガスケット６１内に、ガスケット６１とＭＥＡ４４の間の封止面６４ｂ，６４ｃが設けられる。鋳造ガスケット６１は、ＭＥＡ４４の外周を効果的に取り囲む。このためには、ガスケット６１の厚さが、拡散層４３ａ，４３ｂ、ならびにＭＥＡ４４の有効寸法と一致するように、ガスケット６１の寸法を厳密に制御する必要がある。このように部品数を低減しても、代償として製造工程の複雑さは増してしまう。加えて、鋳造ガスケット６１を作るための機器の準備及び加工によって、コストが増し、燃料電池の設計の柔軟性が損なわれてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、ガスケットの設計を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の態様によると、本発明は、燃料電池を提供するものであって、この燃料電池は、第１流体フローフィールドプレートと、第２流体フローフィールドプレートと、膜電極接合体と、ガスケットとを含み、
前記膜電極接合体は、第１及び第２の対向する面を有し、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に設けられ、
前記ガスケットは、
前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に広がって、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートとともに、それぞれ第１封止面と第２封止面とを形成し、
さらに第３封止面を画定して、前記第３封止面により前記膜電極接合体の一方の面のみと接触している。
【００１５】
第２の態様によると、本発明は、燃料電池の内面を封止するガスケットを提供するものであって、このガスケットは、第１封止面と、第２封止面と、第３封止面とを含み、
前記第１封止面と前記第２封止面は、前記ガスケットの対向面のそれぞれにあり、
前記第３封止面は、完全に、前記第２封止面の内周により画定される境界の内側にあり、
前記第２封止面と前記第３封止面の間に段状の外形が画定されている。
【００１６】
第３の態様によると、本発明は、燃料電池の積層体の形成方法を提供するものであって、
（ｉ）第１流体フローフィールドプレートを設け、
（ii）前記第１流体フローフィールドプレートの上にガスケットを置き、前記ガスケットは、第１封止面と、第２封止面と、第３封止面とを有し、前記第３封止面は、前記第２封止面の内周により画定される境界に完全に囲まれ、前記第１封止面は、前記第１流体フローフィールドプレートの上にあり、
（iii）前記ガスケットの上に膜電極接合体を置き、前記膜電極接合体の第１面の周囲の端部が、前記ガスケットの前記第３封止面に重ねられ、
（ｉｖ）前記膜電極接合体と前記ガスケットの上に第２流体フローフィールドプレートを置き、前記第２流体フローフィールドプレートは、前記第２封止面と前記膜電極接合体の第２面に重なり、
（ｖ）前記ガスケットと前記膜電極接合体にわたって、前記第１流体フローフィールドプレートと前記第２流体フローフィールドプレートの間に圧縮圧力をかけて、（ｉ）前記ガスケットの前記第１封止面と前記第１流体フローフィールドプレートの間と、（ii）前記ガスケットの前記第２封止面と前記第２流体フローフィールドプレートの間と、（iii）前記ガスケットの前記第３封止面と前記膜電極接合体の間に、流体封止を設け、前記ガスケットは、前記膜電極接合体の一方の面にのみ当たって封止する、順次のステップを含む。
【００１７】
以下、本発明の実施例について、例及び添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
面内に流体フローチャネルを含む陽極側及び陰極側流体フローフィールドプレートの従来の設計は、図１〜図３を用いて既に説明した。また、そのようなプレートとともに用いられる典型的なガスケットの構成については、図４〜図６を用いて既に説明した。
【００１９】
本発明は、燃料電池ユニットを機能させるための封止には、図５及び図６に示されたＭＥＡの両面とは対照的に、ＭＥＡの一方の面のみが封止される必要があり、これは、統一されたガスケットにより実現できるという所見を考慮したものである。図７に、一方の面７６のみにより封止されたＭＥＡ４４が概略的に表されている。ここで、ＭＥＡ４４は、封止面７４ｂに沿って、ガスケット７２に当たって封止されている。この面が十分に封止されているとすれば、ＭＥＡの反対側の面７５をガスケット７２に当てて封止する必要はない。なぜなら、封止面７４ｃによって、ＭＥＡの内外からの意図しない流体の出入りが防止され、また、封止面７４ｂによって、ＭＥＡの一方の面から他方の面への流体の流入が防止されるからである（ＭＥＡ４４の膜では、実質的に陽子の導通のみが行われる。）。
【００２０】
したがって、ガスケット７２は、流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂの両方と接触することによって、燃料電池の陽極及び陰極の区画（大部分が拡散層７３ａ，７３ｂにより画定される）を効果的に封止する。陽極及び陰極の区画内の流体は、ＭＥＡ４４の第１面７６の封止面７４ｂにより形成された流体封止によって、混ざることがない。この流体封止の接合面は、ＭＥＡ４４の周囲とガスケット７２の間に設けられている。
【００２１】
よって、ガスケット７２には、ガスケットの第１面にある第１封止面７４ａと、ガスケット７２の反対側の面にある第２封止面７４ｃとが設けられていることがわかる。ガスケットは、第３封止面７４ｂも有し、第２封止面と第３封止面の間に段状の外形を画定している。第１封止面と第２封止面は、それぞれ第１流体フローフィールドプレートと第２流体フローフィールドプレートに流体封止を行う。第３封止面７４ｂは、ＭＥＡ４４の第１面７６のみに流体封子を行う。第３封止面７４ｂは、第１封止面７４ａ及び第２封止面７４ｃと実質的に平行な平面である。ＭＥＡの第２面７５は、ガスケット７２に当たって流体封止を形成していない。図７の例では、第２封止面７４ｃと第１封止面７４ａの間に広がるガスケット７２の第１部位７７は、厚さｔ１を有している。厚さｔ１は、第３封止面７４ｂと第１封止面７４ａの間に広がるガスケット７２の第２部位７８の厚さｔ２よりも大きい。厚さの差分（ｔ１−ｔ２）は、好ましくは、流体封止７４ｂによるガスケット材料の重大な歪みが生じないように、ＭＥＡ４４と拡散層７３ｂの厚さを収容するように設計するのがよい。
【００２２】
ガスケット７２は、成形、または他の適当なプロセスによって、第３封止面７４ｂの厚みを減らし、断面が、所要の段状の外形となるように形成される。
【００２３】
図８は、同様の一般原理に従った他の封止構成の概略を示す。ここで、ガスケット８２は、初期、すなわち圧力がないときは一様な厚さであるが、可変圧縮率の、または圧縮率を増加させたタイプのものが好ましい。可変圧縮率を増加させたガスケットの例は、英国特許出願Ｎｏ．０６０１９８６．３に開示されている。ガスケット８２の片面または両面の少なくとも一部位に窪みを設け、その部位のガスケット材料の部分的な圧縮率を増加させるのである。例えば、窪みは、少なくとも、第３封止面８４ｂにより画定されるガスケット８２の部位に設けられる。部分的な圧縮率の増加によって、ガスケット８２は、同じ圧力下において、さらに圧縮可能となる。したがって、ガスケット８２は、第１封止面８４ａ及び第２封止面８４ｃにおける流体封止性を低減させることなく、第３の封止面８４ｂにより画定された領域のＭＥＡ４４を収容するために必要な厚さｔ２にまで圧縮される。この構成では、ＭＥＡ４４の過度の歪みを避けるために、第３封止面８４ｂが、第１封止面８４ａ及び第２封止面８４ｃに対し、少なくとも部分的に斜めとなるように設けられている。
【００２４】
図７のような、厚みを減らした領域や、例えば図８のような、複数の窪みによって圧縮率を増加した領域や、その両方の組み合わせを用いると、図６のガスケット６１のような再挿入（re-entrant）またはＣ型の外形を必要とせずに、単一のガスケットを用いてＭＥＡ４４の周囲の十分な流体封止を容易にする。
【００２５】
図７及び図８の両方の実施形態では、第３封止面７４ｂ，８４ｂは、内部で第２封止面７４ｃ，８４ｃに隣接していることがわかる。この表現は、第３封止面が、第２封止面と比べると、燃料電池の中央に近いことを示す意図である。
【００２６】
上述した本発明の利点は、封止面の数を減らすことによって、燃料電池の封止に必要とされる部品数を削減することである。さらなる利点は、そのような燃料電池の組み立ての煩雑さを低減でき、また、全ＭＥＡ領域を低減することによって、ＭＥＡの設計を潜在的に、より低コストとすることである。また、本発明は、以下に述べるように、燃料電池を順次に層に組み立てることを可能とする。
【００２７】
図９は、両側に拡散層９３を有するＭＥＡ９１が、ガスケット８２上において、どのように配置されるかを概略的に示している。この例のＭＥＡは、図４に示されたＭＥＡと比べると、大きさが低減されている。ＭＥＡ９１の外周９５は、ガスケット８２の内周９６が、完全にＭＥＡの外周９５の内部に入るように、ガスケット８２に重ねられている。２つの流体フローフィールドプレート５２ａ，５２ｂの間に挟まれた場所では、第３封止面８４ｂが、ガスケット８２の内周面にあり、ＭＥＡの外周９５とガスケットの内周９６の間に広がっている。第３封止面８４ｂによって、ガスケット８２の内周面とＭＥＡ９１の外周面の間が流体封止される。
【００２８】
一般的な見地からして、ガスケット８２は、ＭＥＡ４４に当てて封止する再挿入用内面（re-entrant inner face）を有していない。図７及び図８を参照すると、ガスケット７２，８２を含む燃料電池セルスタックは、流体フローフィールドプレート５２ａ、ガスケット７２，８２、拡散層７３ａ，８３ａ、ＭＥＡ４４、拡散層７３ｂ，８３ｂ、流体フローフィールドプレート５２ｂを、この順に置いて組み立てられている。ガスケットは、ＭＥＡの上に予め形成されている必要はない。したがって、ガスケットは、正確なセルの形態にカスタマイズされる必要はない。
【００２９】
図１０〜図１２は、複数の窪みが片面又は両面の少なくとも一部位の近傍に設けられたガスケット８２の好ましい実施形態をさらに示す。
【００３０】
図１０は、本発明に適したガスケット１５３の代表的な部位を表している。ガスケット１５３は、第１の封止面１５４と第２の封止面１５５とを有する。第１の複数の窪み１５６は、ガスケット１５３内の第１の封止面に設けられ、ガスケットの上記の部位の上に広がっている。窪み１５６は、図示するガスケット１５３の上記の部分の上に規則的な配列で広がっている。また、ガスケット１５３内の第２の封止面１５５には、第２の窪み１５７が設けられ、この例では、第２の窪み１５７は、実質的に、サイズと配列が第１の複数の窪みと類似する。
【００３１】
第１の窪み１５６は、面１５４に設けられるものとして図１０に示されているが、他の具体例として、面１５４の下に設けても良い。ただし、ガスケット１５３の厚みを通った部分的な表面の圧縮率に影響するように、十分に面に近づけることを要する。
【００３２】
ガスケットの封止面１５４，１５５は、ガスケットを封止する構成部品の表面との接触面として規定される。したがって、封止面には、一般的に、窪み１５６，１５７の内面は含まれない。しかしながら、ガスケット１５３に加わる圧力が増加するにつれ、窪み１５６，１５７の内面がガスケット１５３の封止面の一部となり、その比率は圧力増加とともに増加する。
【００３３】
「窪みの密度」という用語は、ここでは、ガスケット１５３の何れかの領域上に存在する窪みの数の指標として用いられる。ガスケット１５３のある部位の第１の封止面１５４の窪みの密度は、ガスケット１５３の同一部位の第２の封止面１５５の窪みの密度と異なっても良い。例えば、図１０のガスケット１５３の封止面１５４の面積が１ｃｍ２で、その窪みの数が３６であれば、第１の封止面の窪みの密度は３６ｃｍ−２となる。
【００３４】
ここで用いる「窪みの体積」という用語は、ある所定の窪みの総体積であって、実質的には、ガスケット１５３又はその特定部分の窪みの平均値に基づいて得られる。
【００３５】
ガスケットの一部分の窪みの密度及び体積は、少なくとも部分的に、ガスケットのその部分の圧縮率を決定するものと理解される。
【００３６】
本発明に係るガスケットは、好ましくは、実際、十分な圧縮率を有し、ガスケットが用いられる燃料電池の積層体の様々な表面に当てて封止できる圧縮可能材料が望ましい。
【００３７】
「圧縮可能材料」という用語は、圧縮圧力の下で著しく変形する固体材料であって、その物理機械的特性が、圧力をかけたときの弾性（すなわち復元可能な性質）及び可塑性（すなわち不変かつ復元不可能な性質）の複合変形により特徴付けられるものを網羅するものである。また、クリープや粘弾性のような時間依存効果は、部分的に圧縮可能材料の特性を決定する。
【００３８】
ガスケットの一部分の圧縮率を増加させれば、その一部分の総厚みを同程度まで圧縮するのに必要な圧力を減少させることとなる。これに代えて、圧力を同一とすれば、その一部分の総厚みが大幅に減少する。
【００３９】
図１１は、本発明に適したガスケット１６１の窪み１６２，１６３の非対称配列の断面図を示す。ここでは、窪みの体積が、第１の封止面１６４と第２の封止面１６５とで相違する。第１の封止面１６４の近傍の窪み１６２は、第２の封止面１６５の近傍の窪み１６３と寸法が異なる。このタイプの窪みの体積のバリエーションによって、同一の圧力で、大きな窪み１６３の間のガスケット材料１６６を、小さな窪み１６２の間のガスケット材料１６７よりもはるかに圧縮することができる。
【００４０】
図１１に示したものと類似の効果は、第１の封止面１６４と第２の封止面１６５の下の各窪みの体積の平均を変える代わりに、窪みの間隔を変えて窪みの密度を変化させることによっても得られる。
【００４１】
窪みの密度及び／又は窪みの体積は、第１の封止面１６４と第２の封止面１６５の近傍にある、少なくとも選択された、対向するガスケットの表面部位同士で相違しても良い。この対向するガスケットの表面部位は、第１の封止面１６４と第２の封止面１６５の各選択部分であって、ガスケット１６１の対向する２つの封止面において実質的に同一の領域である。
【００４２】
図１１のガスケット１６１のような非対称配列において、表面の接合特性は、結果として、一方の面に偏る。ガスケット１６１の一方の封止面１６４の接触領域は、他方の封止面１６５と対比して、接着剤や前もっての表面処理の必要もなく、他面上の一面に接合しやすい傾向がある。
【００４３】
図１２は、上部構成部品１７７と下部構成部品１７６の間で圧縮状態のガスケット１６１の断面図である。ガスケット１６１は、２つの構成部品の表面１７４，１７５の間に位置している。下部構成部品の表面１７４には、表面特異部１７３が位置する。表面特異部１７３は、構成部品の表面１７４から突出しているものである。補償部１７２のガスケット材料は、矢印１７１で示す方向に圧力を与えると、補償部の外側部分よりもはるかに圧縮される。圧縮は、ガスケット自体の体積の範囲内でさらに行われるが、さらにガスケット１６１の外郭が膨張することはない。窪み１６３があるため、補償部１７２の範囲内にある周囲のガスケット材料は、加圧方向に対して垂直をなす方向に沿って窪み１６３の中へと膨張する。表面特異部１７３は、例えば、水道用弁のような比較的に圧縮不可能な箔又は片であって、流体フロープレートの選択部分を覆うように配置される。本発明の目的に照らすと、表面特異部は、図９に関して述べれば、ＭＥＡ９１の周囲の端部９５にあるのが好ましい。ガスケット１６１は、表面特異部１７３の周辺が圧縮により変形できるから、表面特異部の周囲の封止は、表面特異部があるために弱められない。
【００４４】
ガスケット１５３，１６１は、規則的な配列、つまり例えば図５のように実質的に均一な正方形空間のパタンに並べられた長方形の窪み１５６，１５７，１６２，１６３を含むと好ましい。また、六角形や三角形のパタンのような他の反復パタンのタイプも考えられる。さらに、窪みの非反復パタン又はランダム分布については、窪みの密度と窪みの体積の平均でも特徴付けられるが、本発明の目的の範囲内で考えられる。
【００４５】
「窪み」という用語は、個々に分離した柱状部又は他の段状部の配列内に形成され、相互に繋がっている窪みの配列だけではなく、ガスケットに広がる個々に分離した窪みの配列にも当てはまる定義を網羅するものと理解されたい。本発明に係るガスケットは、１以上の封止面の少なくとも一部位に広がる、片方又は両方のタイプの窪みを含んでよい。
【００４６】
本発明には、シリコンや、ニトリル又はブチルゴムのような従来のガスケット材料を用いてよい。しかしながら、延伸ＰＴＦＥのような他の材料も用いることができる。
【００４７】
ガスケットの厚みは、１０ｍｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、非圧縮のガスケットの厚さが０．１〜３ｍｍ、更に言うと０．１〜１ｍｍであるのがよい。
【００４８】
複数の窪み１５６，１５７，１６２，１６３の体積の平均は、５ｍｍ３以下がよく、さらに好ましくは、０．００１〜１ｍｍ３の範囲内であるのがよい。窪みは、いかなる適当な形状であってもよいが、実質的に立方形であるのが好ましい。また、長さ寸法の平均は、０．１〜１ｍｍの範囲内であるのがよい。
【００４９】
本発明に係るガスケット５３，６１の窪みは、均一な厚みのガスケットの面（両面）にテクスチャを施すことにより形成することが好ましい。このテクスチャは、ガスケットの圧縮成形によって行うとよい。圧縮成形は、例えば、ガスケット材料を所望の形状に成形するのに適切な熱と圧力を加えた状態でプラテン間に挟むことにより行われる。もしくは、鋳造、射出成形、又はテクスチャローラーを用いたローリング／艶出しのような様々な公知技術によって、本発明に係るガスケット材料を成形してもよい。
【００５０】
上述した窪みは、本発明に係るガスケットの、少なくとも一部位に設けられる。例えば、窪みは、ＭＥＡ４４の厚さの増加分を収容できるように、第３封止面８４ｂを画定するガスケットの領域に設けることができる。また、窪みは、ガスケットの表面の、より大きな部位に設けることもできるし、両面の一部位または全体に設けることもできる。
【００５１】
他の実施例が添付の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の燃料電池の一部の概略断面図である。
【図２ａ】図１の燃料電池の流体フローフィールドプレートの簡略化された平面図である。
【図２ｂ】図１の燃料電池の流体フローフィールドプレートの簡略化された断面図である。
【図３】バイポーラプレートを備える従来の燃料電池セルスタックの断面図である。
【図４】膜電極接合体の一部位の概略平面図である。
【図５】２つの流体フローフィールドプレートの間にあって、従来のガスケットにより封止された、図４の膜電極接合体の一部位のＡ−Ａ’線の概略断面図である。
【図６】膜電極接合体を封止するガスケット構成の概略断面である。
【図７】膜電極接合体を封止する他のガスケット構成の概略断面である。
【図８】膜電極接合体を封止する他のガスケット構成の概略断面である。
【図９】本発明に従ったガスケットの具体例の上に位置している膜電極接合体の概略断面である。
【図１０】複数の窪みを含むガスケットの部分の構造の斜視図である。
【図１１】図１０のガスケットの一部位の断面図である。
【図１２】加圧時の図１０のガスケットの一部位の概略断面図である。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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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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【国際調査報告】
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