(57)【要約】【課題】ゴム状弾性体９よりなるシール構造体８が自らシールリップ１２の圧縮率を制御する構造を有し、もってセパレータ５の断面形状を単純化してその薄肉化を可能とし、また専用のスペーサーを用意する必要もない燃料電池用シール構造体８を提供する。【解決手段】燃料電池セル１を構成するＭＥＡ２の外周側に配置されて一対のセパレータ５間をシールするゴム状弾性体９製のシール構造体８であって、一部のゴム状弾性体９がＭＥＡ２を構成するガス拡散層４の周縁部に含浸することによりＭＥＡ２と一体化されているシール構造体８において、セパレータ５に密接してシール機能を発揮するシールリップ１２の内周側および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時における一対のセパレータ５間の間隔を規定する定寸止め部１３，１４が一体成形されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル（１）を構成するＭＥＡ（２）の外周側に配置されて一対のセパレータ（５）間をシールするゴム状弾性体（９）製のシール構造体（８）であって、一部の前記ゴム状弾性体（９）が前記ＭＥＡ（２）を構成するガス拡散層（４）の周縁部に含浸することにより前記ＭＥＡ（２）と一体化されているシール構造体（８）において、
前記セパレータ（５）に密接してシール機能を発揮するシールリップ（１２）を有し、前記シールリップ（１２）の内周側および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時における前記一対のセパレータ（５）間の間隔（ｃ）を規定する定寸止め部（１３）（１４）を一体成形してなることを特徴とする燃料電池用シール構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの構成要素をなすシール構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック内の各セルのガス流路用シール構造体としては、ゴム状弾性体よりなるガスケットをセパレータの表面に形成する構造と、ゴム状弾性体よりなるガスケットをＭＥＡと一体化する構造とに大別される。
【０００３】
後者のガスケットをＭＥＡと一体化する構造において、ガスケットは、ゴム状弾性体とＭＥＡとが一体化した含浸層と、シール機能を付与する弾性体層とにより構成され、弾性体層の表面に凸状のシールリップを形成することにより、シール機能の長期耐久性を確保するのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、図４に示すように、シール機能に必要なシールリップ５１のみを弾性体層５２の表面に形成した場合には、シールリップ５１の圧縮率をシール相手材であるセパレータ５３の断面形状で制御する必要があり、よってプレート断面形状が複雑になることから、セパレータ５３の薄肉化が困難となる不都合がある。この場合、セパレータ５３の内面には、ガス流路となる溝状の凹部５４のほかに、シールリップ５１の圧縮率を制御すべくシールリップ５１を底面部位に密接させるための凹部５５を高精度加工しなければならない。
【０００５】
一方、図５に示すように、異種材質のスペーサー５６を一対のセパレータ５３間に介装することによってシールリップ５１の圧縮率を制御する構造も考えられるが、この場合には、専用のスペーサー５６を用意しなければならず、またスペーサー５４をセパレータ５３に固定するための煩雑な固着工程が必要となる。また、シールリップ５１の左右両側に何も支えとなるものがないために、ガスケット圧縮時にリップ倒れが発生する懸念もある。
【０００６】
尚、本願出願人は先に、下記特許文献１に掲載された燃料電池用ガスケットを提案しているが、この先行技術に係るガスケットは、ＭＥＡの電解質膜の両側（両面側）に配置されるものであって、本発明のようにＭＥＡの外周側に配置されるものではない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５７８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上の点に鑑みて、ゴム状弾性体よりなるシール構造体が自らシールリップの圧縮率を制御する機能を有し、もってセパレータの断面形状を単純化してその薄肉化を可能とし、また専用のスペーサーを用意する必要もない燃料電池用シール構造体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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のシール構造体は、燃料電池セルを構成するＭＥＡの外周側に配置されて一対のセパレータ間をシールするゴム状弾性体製のシール構造体であって、一部の前記ゴム状弾性体が前記ＭＥＡを構成するガス拡散層の周縁部に含浸することにより前記ＭＥＡと一体化されているシール構造体において、前記セパレータに密接してシール機能を発揮するシールリップを有し、前記シールリップの内周側および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時における前記一対のセパレータ間の間隔を規定する定寸止め部を一体成形してなることを特徴とするものである。
【００１０】
上記構成を備えた本発明のシール構造体は、その一部として独自のゴム状弾性体製の定寸止め部を有しており、この定寸止め部がスタック組立時に一対のセパレータ間に挟まれて圧縮荷重を受け止めることにより、セパレータ間の間隔を規定可能とされている。したがって、この定寸止め部がセパレータ間の間隔を規定することにより、シールリップの圧縮率が制御される。
【００１１】
尚、シールリップは、シール機能の長期耐久性が要求されるため、圧縮時に高い面圧が発現される形状が必要となる。したがって、リップ先端の断面を鋭利な形状にするとともに、リップ高さを定寸止め部よりも高く設定することが重要である。また、定寸止め部は、シールリップが所望の圧縮率となるように、すなわち圧縮荷重に対して所望の高さとなるように制御することが要求され、望ましくは圧縮荷重に対して変形を生じない形状が必要となる。したがって、当該部位の先端を平坦な形状にするとともに、その高さをシールリップよりも低く設定することが重要である。
【００１２】
また、圧縮率の高度な制御が要求される場合には、リップラインが並行となるように、シールリップの両側（内周側および外周側）に定寸止め部をそれぞれ配置することが望ましい。更に、シールリップと定寸止め部との間隔を小さく設定することにより、圧縮率の制御のみでなく、ガスケット圧縮時のリップ倒れを抑制することも可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００１４】
すなわち、上記構成を備えた本発明のシール構造体においては、セパレータに密接するシールリップの内周側および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時における一対のセパレータ間の間隔を規定する定寸止め部が一体成形されているために、この定寸止め部が一対のセパレータ間に挟まれてセパレータ間の間隔を規定することにより、自らシールリップの圧縮率を制御することが可能とされている。したがって、セパレータの断面形状を複雑化することによりシールリップの圧縮率を制御する必要がないために、セパレータの断面形状を単純化してその薄肉化を実現することができる。セパレータの薄肉化は燃料電池スタックの小型化や軽量化にとって極めて有用である。また、専用のスペーサーを用意する必要がないために、部品点数が増加することがなく、煩雑な部品固着工程を行なう必要もない。また、シールリップの直ぐ隣りに定寸止め部が設けられることから、リップ倒れが発生するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施例に係るシール構造体８を備えた燃料電池セル１の要部断面を示しており、このセル１は以下のように構成されている。
【００１７】
すなわち先ず、電解質膜３の両側（両面側、図上上側および下側）にガス拡散層４が重ねられてＭＥＡ（膜電極複合体）２が形成されており、このＭＥＡ２の両側に一対のセパレータ５が配置されてＭＥＡ２を挟み込むことになる。当該実施例に係るシール構造体８は、ＭＥＡ２の外周側（図上左側）に一体に保持されて一対のセパレータ５間をシールするものであって、全体を符号９で示すゴム状弾性体（ガスケット）により構成されている。セパレータ５の内面には、ガス流路となる溝状の凹部６が多数設けられている。
【００１８】
ゴム状弾性体９は、ＭＥＡ２の外周に全周に亙って設けられており、その内周部位の一部がポーラス材質よりなるガス拡散層４の周縁部に含浸することによってＭＥＡ２に対して一体化されており、このゴムがポーラスに含浸してなる含浸層（含浸部とも称する）１０と、その外周側に一体成形された弾性体層（基板部とも称する）１１とを一体に有している。ゴムは、ゴム状弾性体９の成形時に液状ゴムとしてポーラスに含浸する。弾性体層１１は、ＭＥＡ２と同じ厚さの平板状に形成されており、その一部の厚さを増幅させるようにして弾性体層１１の両面に、セパレータ５の内面に密接してシール機能を発揮するシールリップ１２が一体成形されており、このシールリップ１２の左右両側すなわち内周側および外周側にそれぞれ、スタック組立時における一対のセパレータ５間の間隔を規定するための定寸止め部（サブリップまたはゴムスペーサーまたは荷重受け部とも称する）１３，１４が一体成形されている。
【００１９】
シールリップ１２は、シール機能について長期耐久性を要求されることから、圧縮時に高い面圧を発現する形状とされており、具体的には、断面山形ないし三角形状に形成されて、鋭利な先細の先端部を有し、かつその高さ寸法ｈ１を定寸止め部１３，１４の高さ寸法ｈ２よりも高く設定されている（ｈ１＞ｈ２）。
【００２０】
一方、定寸止め部１３，１４はそれぞれ、シールリップ１２が所望の圧縮率となるように、すなわちシールリップ１２が圧縮荷重に対して所望の高さとなるように制御することが要求され、このため圧縮荷重に対して殆んどあるいは全く変形を生じない形状とされており、具体的には、断面台形ないし四角形状に形成されて、平坦な先端部を有し、かつその高さ寸法ｈ２をシールリップ１２の高さ寸法ｈ１よりも低く設定されている（ｈ２＜ｈ１）。また、両定寸止め部１３，１４は互いに同じ高さ寸法ｈ２に設定されており、平坦な先端部は同一平面上に配置されている。
【００２１】
ゴム状弾性体９の硬度は、４０〜５０度程度と柔らかめに設定されており、シールリップ１２の圧縮率は３０〜５０％程度に設定されている。したがって、シールリップ１２の内周側および外周側であって定寸止め部１３，１４との間にはそれぞれ、シールリップ１２の圧縮変形を許容すべくゴムの逃げ部としての溝状の空間部１５，１６が設定されているが、この空間部１５，１６の容積は可及的に小さいことが望ましく、これにより定寸止め部１３，１４が支えとして機能することによってリップ倒れを抑制する構造とされている。シールリップ１２の先端部と各定寸止め部１３，１４との距離ｄは実寸で２〜５ｍｍ程度が目安とされる。
【００２２】
図１は、燃料電池スタックを組み立てる以前の初期状態を示しており、この初期状態からスタックを組み立ててシール構造体８に厚さ方向の圧縮荷重が加えられると、図２に示すように、シールリップ１２が一対のセパレータ５間に挟まれて圧縮変形し、その反力によってセパレータ５の内面に密接する。引き続き圧縮荷重が加えられてセパレータ５が定寸止め部１３，１４に接触すると、この定寸止め部１３，１４は圧縮荷重に対して変形しない形状であるために、セパレータ５間の間隔ｃが規定され、結果、シールリップ１２の圧縮率がシール機能を発現するのに十分なところで制御される。このとき定寸止め部１３，１４は、間隔ｃを狭める方向に変位する一対のセパレータ５間に挟まれて変位を停止させるスペーサーとして機能する。したがって、シール構造体８は定寸止め部１３，１４を有することによって自らシールリップ１２の圧縮率を制御することが可能とされており、これにより以下の効果を発揮する。
【００２３】
（１）すなわち先ず、上記図４の従来技術のように、セパレータ５３の断面形状を複雑化することによってシールリップ５１の圧縮率を制御するものでないために、セパレータ５の断面形状を単純化して薄肉化を実現することができる。図１に示したように、セパレータ５の内面は、凹部６形成部位を除き、全くの平坦であって良い。
（２）また、上記図５の従来技術のように、専用のスペーサーを用意するものでないために、部品点数の増大を抑えることができ、煩雑な部品固着工程を行なう必要もない。
【００２４】
また併せて、上記構成のシール構造体８は、以下の効果を発揮する。
【００２５】
（３）シールリップ１２の直ぐ隣りに定寸止め部１３，１４が設けられているために、定寸止め部１３，１４が支えとして機能することによって、リップ倒れが発生するのを抑制することができる。
（４）定寸止め部１３，１４がシール構造体８の一部としてゴム状弾性体９により成形されているために、硬質樹脂などの硬材によって成形される場合と比較して、定寸止め時の応力の立ち上がり度合いを緩やかなものとすることができる。したがって、その緩衝効果による部品破損防止効果を期待することができる。
（５）また、スタックとして組立後のゴム弾性による防振効果を期待することもできる。防振効果は、燃料電池が車載用等として過酷な条件下にて使用されるときに、極めて重要な要素となる。
【００２６】
尚、上記実施例に係るシール構造体８は、本発明の目的を実現可能な範疇にてその構成を種々変更することが可能であり、例えば、以下のようなものであっても良い。
【００２７】
（Ａ）上記実施例では、シールリップ１２の内周側および外周側の双方にそれぞれ定寸止め部１３，１４を設ける構成としたが、内周側または外周側のいずれか一方のみに定寸止め部１３，１４を設ける構成としても良い。
【００２８】
（Ｂ）上記実施例では、シールリップ１２の内周側および外周側の双方にそれぞれ全周に亙って定寸止め部１３，１４を設ける構成としたが、内周側または外周側のいずれか一方の定寸止め部１３，１４を周上分割配置（周上間隔を開けて複数配置）する構成としても良い。
【００２９】
（Ｃ）上記実施例では、ＭＥＡ２の厚さに対して弾性体層１１の厚さを同じに設定し、この弾性体層１１の厚さを増幅させるようにしてその表裏両面にシールリップ１２および定寸止め部１３，１４を一体成形する構成としたが、図３に示すように、ＭＥＡ２の厚さに対して定寸止め部１３，１４の厚さを同じ寸法に設定し、シールリップ１２の厚さをこれよりも大きく設定し、シールリップ１２および定寸止め部１３，１４間に溝状の空間部１５，１６を形成する構成としても良い。
【００３０】
尚、この（Ｃ）に関連して、図１のシール構造体８はその構成を以下のように説明することもできる。
【００３１】
すなわち、ＭＥＡ２外周の含浸層１０の外周側に比較的薄肉の連結部２１を介して比較的厚肉の定寸止め部１３が一体成形され、この定寸止め部１３の外周側に比較的薄肉の連結部２２を介して比較的厚肉であってかつ定寸止め部１３よりも厚肉のシールリップ１２が一体成形され、このシールリップ１２の更に外周側に比較的薄肉の連結部２３を介して比較的厚肉の定寸止め部１４が一体成形されている。
【００３２】
または、ＭＥＡ２外周の含浸層１０の外周側にＭＥＡ２および含浸層１０と同じ厚さｗ１の連結部２１を介して連結部２１よりも大きな厚さｗ２の定寸止め部１３が一体成形され、この定寸止め部１３の外周側に定寸止め部１３よりも小さな厚さｗ１の連結部２２を介して定寸止め部１３よりも大きな厚さｗ３のシールリップ１２が一体成形され、このシールリップ１２の更に外周側にシールリップ１２よりも小さな厚さｗ１の連結部２３を介して連結部２３よりも大きくかつシールリップ１２よりも小さな厚さｗ２の定寸止め部１４が一体成形されている（ｗ１＜ｗ２＜ｗ３）。
【００３３】
また、図３のシール構造体８については、その構成を以下のように説明することができる。
【００３４】
すなわち、ＭＥＡ２外周の含浸層１０の外周側に比較的厚肉の連結部２１を介して比較的厚肉の定寸止め部１３が一体成形され、この定寸止め部１３の外周側に比較的薄肉の連結部２２を介して比較的厚肉であってかつ定寸止め部１３よりも厚肉のシールリップ１２が一体成形され、このシールリップ１２の更に外周側に比較的薄肉の連結部２３を介して比較的厚肉の定寸止め部１４が一体成形されている。
【００３５】
または、ＭＥＡ２外周の含浸層１０の外周側にＭＥＡ２および含浸層１０と同じ厚さｗ２の連結部２１を介して連結部２１と同じ厚さｗ２の定寸止め部１３が一体成形され、この定寸止め部１３の外周側に定寸止め部１３よりも小さな厚さｗ１の連結部２２を介して定寸止め部１３よりも大きな厚さｗ３のシールリップ１２が一体成形され、このシールリップ１２の更に外周側にシールリップ１２よりも小さな厚さｗ１の連結部２３を介して連結部２３よりも大きくかつシールリップよりも小さな厚さｗ２の定寸止め部１４が一体成形されている（ｗ１＜ｗ２＜ｗ３）。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係るシール構造体を備えた燃料電池セルの要部断面図（スタック組立前）
【図２】同燃料電池セルの要部断面図（スタック組立後）
【図３】本発明の他の実施例に係るシール構造体を備えた燃料電池セルの要部断面図（スタック組立前）
【図４】従来例に係るシール構造体を備えた燃料電池セルの要部断面図
【図５】他の従来例に係るシール構造体を備えた燃料電池セルの要部断面図
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池セル
２  ＭＥＡ
３  電解質膜
４  ガス拡散層
５  セパレータ
６  凹部
８  シール構造体
９  ゴム状弾性体
１０  含浸層
１１  弾性体層
１２  シールリップ
１３，１４  定寸止め部
１５，１６  空間部
２１，２２，２３  連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006228590.tif 000006
【図５】
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