(57)【要約】【課題】温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収しながら、両者間の面圧を高め得るようにすること。【解決手段】発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータ１１３のシールビード１１５と、一対のエンドセルを挟み込むエンドプレート１３１に設けられた絶縁板１３２との間をシールするシール構造を設ける。シール構造は、シールビード１１５に対面する位置に沿って絶縁板１３２に溝１３３を設け、シールビード１１５に設けた弾性部材１１７に密接するシール部材１５１を溝１３３に収納し、溝１３３の底面に設けた溝内凹部１７１にシール部材１５１の下端部分を嵌め込ませ、シール部材１５１にはその底面中央部から長手方向に沿って底面突条１５２を突出させている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、
前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、
前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、
前記シール部材の底面中央部からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、
前記溝の底面に設けられて前記シール部材の下端部分を嵌め込ませる溝内凹部と、
を備えることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項２】
前記溝内凹部は、前記溝の底面から起立する枠状の部材によって形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項３】
前記シール部材は、前記溝の側壁と前記枠状の部材との間に嵌り込む嵌合部を備えている、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項４】
前記溝内凹部は、前記溝の底面よりも窪んだ窪みによって形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるシール技術に係り、特に燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルをシールする燃料電池のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の従来構造として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータを積層して発電セルとし、この発電セルを複数個積層したスタック構造をなすものがある。この種の燃料電池は、膜電極接合体のカソード側に酸化ガス（空気）を供給し、アノード側に燃料ガス（水素）を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。
【０００３】
積層された発電セル内には、酸化ガス（空気）や燃料ガス（水素）、冷却水などの媒体のための流路が設けられている。個々の流路は、例えば金属セパレータによって形成されている。金属セパレータは、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなる一対の板状の部材を接合させたもので、これらの一対の部材の間や別の部材との間に、媒体のための流路を形成する。個々の発電セルは、積層されて両端を一対のエンドプレートに挟み込まれ、燃料電池スタックとなる。
【０００４】
この種の燃料電池は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
図７に示すように、燃料電池スタック１１は、膜電極接合体１２を一対の金属セパレータ１３で挟んで作成した発電セル１４を複数個積層し、一対のエンドプレート１５で挟み込んでいる。両端部に位置する発電セル１４はエンドセル１４ａとされ、エンドセル１４ａは、絶縁板１６を介してエンドプレート１５に挟み込まれている。
【０００６】
図７は、膜電極接合体１２の一部をなす樹脂フィルム１７を一対の金属セパレータ１３に挟み込んでいる状態を示している。膜電極接合体１２の詳細は省略して示しているが、一対の金属セパレータ１３は、樹脂フィルム１７の両面に設けられた図示しない電極層も挟み込んでいる。ただし金属セパレータ１３は、樹脂フィルム１７や電極層などの膜電極接合体１２それ自体には直接接触せず、シールビード１８に膜状に設けた弾性部材１９を介して接合している。
【０００７】
弾性部材１９は、例えばゴム状弾性材料によってシールビード１８上に成形された膜状のものである。特許文献１は、樹脂材（５６ａ）として弾性部材１９を紹介している（文献１の段落［００３５］参照）。このような弾性部材１９は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード１８に印刷することによって成形されている。
【０００８】
図７に示すように、シールビード１８は、弾性部材１９を介して膜電極接合体１２を挟み込んでいる。これに対してエンドセル１４ａの両端部分では、図７及び図８に示すように、エンドプレート１５に設けられた絶縁板１６に接触している。絶縁板１６は一般的に樹脂製であり、金属セパレータ１３とは熱膨張率が異なる。このため図９に示すように、温度環境の変化によって金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に相対変位による位置ずれが生じ、これによって弾性部材１９には剪断力が作用して、シールビード１８から剥離してしまうことがある。
【０００９】
図１０に例示するように、特許文献１には、絶縁板１６に溝２０を設け、この溝２０に遊びをもってシール部材２１を収納するようにした発明が記載されている（文献１の段落［００４８］〜［００６２］参照）。シール部材２１は、弾性を有する高分子材料、例えばシリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴムなどのゴム状弾性部材であり、溝２０に嵌合するのではなく、隙間Ｇによる遊びをもって収納され、溝２０の底面に接着又は融着されている（文献１の段落［００４９］参照）。このようなシール構造は、前述したシールビード１８から弾性部材１９が剥離するという問題に対して、解決策を与えるはずである。図１０に示すように、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に位置ずれが生じたとき、シール部材２１は隙間Ｇの範囲で自由に撓み、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間の位置ずれを吸収するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１８−０２２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載されているシール部材、例えば図１０に示すようなシール部材２１は、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に相対変位が発生したとき、大きく撓むことが求められる（図１１、文献１の図８参照）。このためシール部材を用いたシール構造は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収することができる一方で、金属セパレータと絶縁板との間の面圧の低下を生じさせる。このとき両者間をシールするのに十分な面圧が発生すればよいのだが、シール部材は大きく自由に撓むため、必要な面圧を得られにくい。
【００１２】
その結果シール性能が低下するため、改善が求められる。
【００１３】
本発明の課題は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収しながら、両者間の面圧を高め得るようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池のシール構造は、発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、前記シール部材の底面中央部からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、前記溝の底面に設けられて前記シール部材の下端部分を嵌め込ませる溝内凹部と、を備えることによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれをシール部材によって吸収しながら、底面突条によって溝とシール部材と間の面圧を高め、シール効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。
【図２】燃料電池のシール構造の第１の実施の形態を示す垂直断面図。
【図３】流路を通る媒体から加圧力を受けたシール部材が変位した状態を例示する垂直断面図。
【図４】燃料電池のシール構造の第２の実施の形態を示す垂直断面図。
【図５】燃料電池のシール構造の第３の実施の形態を示す垂直断面。
【図６】燃料電池のシール構造の第４の実施の形態を示す垂直断面。
【図７】従来の燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。
【図８】エンドセルの金属セパレータと絶縁板との接触状態を示す垂直断面図。
【図９】図１１に示す金属セパレータと絶縁体との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。
【図１０】エンドセルの金属セパレータと絶縁板との間にシール部材を介在させた構成例を示す垂直断面図。
【図１１】図１３に示す金属セパレータと絶縁体との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、固体高分子形燃料電池に用いられるシール技術に係り、特に燃料電池スタック１０１のエンドセル１１１ａをシールするシール構造１０２に関する（図１参照）。
【００１８】
本実施の形態では、図１に示す一対のエンドセル１１１ａのうち、下方に位置するエンドセル１１１ａのシール構造１０２について説明している。説明の便宜上、上下左右と方向を特定しているが、この特定は図１に示す状態を基準としている。したがって上方に位置するエンドセル１１１ａの場合、本実施の形態とは上下左右が反転する。また図１に示す方向とは異なる向きに燃料電池スタック１０１を配置した場合、本実施の形態中で特定している上下左右の方向性は、全く異なるものとなる。もっともいかなる方向に燃料電池スタック１０１を位置づけたとしても、本実施の形態で特定する上下左右の方向を参酌すれば、各部の方向性を容易に理解することが可能である。
【００１９】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池スタック１０１は、発電セル１１１を複数個積層し、その両端を一対のエンドプレート１３１によって挟み込み、締着した構造を有している。
【００２１】
発電セル１１１は、水素と酸素とから電気エネルギーを取り出す構造物である。ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる膜電極接合体１１２を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータ１１３を備えている。
【００２２】
膜電極接合体１１２は、固体高分子から構成された例えば樹脂フィルム１１４からなる電解質膜の両面に、カソード側及びアノード側となる一対の電極層（図示せず）を設けている。金属セパレータ１１３は、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなるプレートであり、複数個のシールビード１１５を規則的に配列している。一つの発電セル１１１に対して、金属セパレータ１１３は一対用意されている。一対の金属セパレータ１１３は膜電極接合体１１２を挟み込み、膜電極接合体１１２の両側に複数個の流路１１６を形成する。流路１１６は、シールビード１１５によって形成される。
【００２３】
発電セル１１１は、膜電極接合体１１２のカソード側に酸化ガス（空気）を供給し、アノード側に燃料ガス（水素）を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。このとき流路１１６は、酸化ガス（空気）及び燃料ガス（水素）のみならず、冷却水を流通させる流路としても用いられる。
【００２４】
燃料電池スタック１０１において、両端に位置する発電セル１１１はエンドセル１１１ａと呼ばれる。エンドセル１１１ａはエンドプレート１３１に対面している。ただしエンドセル１１１ａとエンドプレート１３１とは直接対面しているわけではなく、両者間には絶縁板１３２が介在している。絶縁板１３２は樹脂などの絶縁材料、例えばポリカーボネートやフェノール樹脂などによって形成されている。
【００２５】
前述したように、金属セパレータ１１３は複数個のシールビード１１５を規則的に配列している。積層された複数個の発電セル１１１の両側に配置した一対のエンドプレート１３１を締着したとき、シールビード１１５は弾性変形し、挟み込んでいる膜電極接合体１１２との間のシールを実現する。
【００２６】
シールビード１１５は、他の部材との間の密接面に位置させて、弾性部材１１７を接着固定している。弾性部材１１７は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード１１５に印刷することによって成形されている。したがってシールビード１１５は、膜電極接合体１１２に直接接触するのではなく、弾性部材１１７を介して膜電極接合体１１２に接触している。
【００２７】
もっとも弾性部材１１７を介して膜電極接合体１１２に接触するのは、エンドセル１１１ａの両端部分以外の領域に設けられたシールビード１１５である。エンドセル１１１ａの両端部分のシールビード１１５は、エンドプレート１３１に設けられた絶縁板１３２に対面し、膜電極接合体１１２には対面しない。
【００２８】
エンドセル１１１ａの両端部分のシールビード１１５と絶縁板１３２との間には、シール部材１５１が介在している。シール部材１５１は、断面矩形形状のゴム状弾性部材である。絶縁板１３２には、シールビード１１５に対面する位置に沿って溝１３３が設けられている。シール部材１５１はこの溝１３３に収納され、シールビード１１５に密接する。このときシール部材１５１が密接するのは、シールビード１１５に設けられた弾性部材１１７である。
【００２９】
図２に示すように、溝１３３はシール部材１５１よりも幅が広くなっており、溝１３３とシール部材１５１との間には隙間Ｇが発生している。燃料電池スタック１０１の組立に際しては、シール部材１５１の両側に同じ幅で隙間Ｇが発生するように、各部が組み付けられる。したがってシール部材１５１は、溝１３３の長手方向（図２中の奥行き方向）と直交する方向に隙間Ｇによる遊びをもって溝１３３に収納されている。
【００３０】
シール部材１５１は、その底面に底面突条１５２を一体に成形している。底面突条１５２は、シール部材１５１の底面中央部に位置づけられ、シール部材１５１の長手方向（図２中の奥行き方向）に沿って延びている。
【００３１】
このような構成において、エンドセル１１１ａの両端部分に位置する金属セパレータ１１３と絶縁板１３２との間は、撓んだシールビード１１５の弾性復元力によってシールされる。このときシールビード１１５は、弾性部材１１７とシール部材１５１とを介して絶縁板１３２の溝１３３の底面に密接する。
【００３２】
金属製の金属セパレータ１１３と樹脂製の絶縁板１３２とでは熱膨張率が異なるため、温度環境の変化に伴い、両者の間には相対変位による位置ずれが発生する（図８参照）。金属セパレータ１１３と絶縁板１３２との間に位置ずれが発生したとき、シール部材１５１は隙間Ｇの範囲内で自由に撓み、その位置ずれを吸収する。これによって弾性部材１１７には剪断力が作用せず、シールビード１１５からの弾性部材１１７の剥離を防止することができる。
【００３３】
シール部材１５１は、シールビード１１５に押圧されて絶縁板１３２の溝１３３の底面に密接する。このときシールビード１１５による押圧力が相対的に強ければ、底面突条１５２は潰れてシール部材１５１の底面全面が溝１３３の底面に密接する。これに対してシールビード１１５による押圧力が相対的に弱ければ、底面突条１５２は大きく潰れず、シール部材１５１の底面は、全面的には溝１３３の底面に密接しない。
【００３４】
いずれの場合であっても、溝１３３の底面に対する底面突条１５２の接触面積は、シール部材１５１の底面の面積に対してはるかに小さい。このため底面突条１５２が設けられていない構成例（例えば図９、図１０参照）と比べると、シールビード１１５からの押圧力が同一である場合の面圧が格段に高まり、密接力が向上する。とりわけシールビード１１５による押圧力が相対的に弱く、底面突条１５２が完全に潰れ切らないような場合、底面突条１５２が設けられていない構成例と比較して、溝１３３の底面に対する面圧が著しく高まり、シール性が向上する。
【００３５】
底面突条１５２は、シールビード１１５からの押圧力を最も強く受けるシール部材１５１の底面中央部に配置されている。このため溝１３３の底面に対するシール部材１５１の面圧を効率よく上昇させることができる。
【００３６】
もっとも実施に際しては、底面突条１５２は必ずしもシール部材１５１の底面中央部に位置づけられていなければならないわけではなく、中央部からオフセットした位置に配置されていてもよい。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図３及び図４に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【００３８】
図３に示すように、燃料電池スタック１０１は、エンドセル１１１ａの両端部分に位置する金属セパレータ１１３とエンドプレート１３１に設けられた絶縁板１３２との間にも、流路１１６を形成する。このためシール部材１５１は、流路１１６を通る媒体の流れによって加圧力を受ける。例えば流路１１６を通る媒体が図３中の白抜き矢印で示す方向に流れるとすると、図中、シール部材１５１は右側からの加圧力を受ける。
【００３９】
このときシール部材１５１は、例えば特許文献１に記載されているような構造とは異なり、溝１３３の底面にシール部材１５１を固定していない。底面突条１５２を設けているために、接着によるか溶着によるかを問わず、溝１３３の底面にシール部材１５１を固定することができないからである。このため流路１１６を通る媒体の流れによる加圧力を受けたシール部材１５１は、流れの下流側方向に向けて位置ずれを生ずることがある。
【００４０】
シール部材１５１に位置ずれが生ずると、シール部材１５１が自由に撓むことができなくなり、弾性部材１１７に剪断力を作用させないというシール部材１５１の機能が損なわれてしまう。例えば図３に示す一例では、溝１３３内の側壁のうち左側に位置する側壁に寄った位置にシール部材１５１は偏移しているので、左側への自由な撓みが規制されてしまう。
【００４１】
そこで本実施の形態では、溝１３３の底面に溝内凹部１７１を設け、シール部材１５１の移動を規制するようにしている。溝内凹部１７１は、シール部材１５１の下端部分を嵌め込ませている。
【００４２】
図４に示すように、溝内凹部１７１を実現するための一形態として、本実施の形態は、枠体１７２を採用している。枠体１７２は、溝１３３の底面から起立する枠状の部材である。枠体１７２は、必ずしもシール部材１５１を隙間なく嵌め込ませるものである必要はない。むしろシール部材１５１の装着性を考慮すると、枠体１７２の内側の各辺の寸法は、シール部材１５１の各辺の寸法よりも少し大きめであることが望ましい。ただし枠体１７２は、シール部材１５１の両端面を溝１３３の内壁に等しい間隔をもって対面させ得るように、溝１３３内でその位置を定めている。
【００４３】
このような構成において、シール部材１５１は、その下端部分を溝内凹部１７１に嵌め込まれている。このためシール部材１５１は、流路１１６を通る媒体の流れによる加圧力を受けたとしても、溝内凹部１７１に位置規制され、流れの下流側方向に向けて位置ずれを生ずることがない。
【００４４】
しかも本実施の形態では、溝内凹部１７１によってシール部材１５１の移動を規制したとしても、シール部材１５１そのものの自由な撓み状態を抑制しない。このためシール部材１５１に過大な荷重がかかって内部応力が増加し、充填率が高まってしまうようなことがない。したがって充填率が高まりすぎる場合発生するひび割れなどの破損からシール部材１５１を保護することができる。
【００４５】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態を図５に基づいて説明する。第１及び第２の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【００４６】
本実施の形態は、溝内凹部１７１として、溝１３３の底面に枠体１７２を設ける点は第２の実施の形態と共通する。相違するのは、シール部材１５１の形態である。
【００４７】
図５に示すように、溝１３３の底面から起立するという枠体１７２の構造上、溝１３３の内壁と枠体１７２との間には、溝状になった嵌合部１７３が設けられる。そこで本実施の形態では、シール部材１５１に、嵌合部１７３に嵌り込む充填部１７４を設けている。充填部１７４は、シール部材１５１の両端面から突出し、溝１３３の内壁にまで延び、嵌合部１７３に嵌り込むような形状を備えている。
【００４８】
このような構成において、シール部材１５１はその充填部１７４を嵌合部１７３に嵌合しているので、溝内凹部１７１である枠体１７２から、あるいは溝１３３そのものからのシール部材１５１の脱落を防止することができる。
【００４９】
またシール部材１５１に設けた充填部１７４と溝１３３に設けた嵌合部１７３との嵌合構造は、シール部材１５１を装着する際のガイドの役割を果たし、その作業性を向上させる。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態を図６に基づいて説明する。第１ないし第３の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【００５０】
図６に示すように、本実施の形態は、溝内凹部１７１の別の実施の形態であり、溝１３３の底面に設けた窪み１７５によって溝内凹部１７１を実現させている。窪み１７５は、嵌合部１７３の底面からへこんだ形態のものである。
【００５１】
窪み１７５は、図４に示す枠体１７２と同様に、必ずしもシール部材１５１を隙間なく嵌め込ませるものである必要はない。むしろシール部材１５１の装着性を考慮すると、窪み１７５の内側の各辺の寸法は、シール部材１５１の各辺の寸法よりも少し大きめであることが望ましい。ただし窪み１７２は、シール部材１５１の両端面を溝１３３の内壁に等しい間隔をもって対面させ得るように、溝１３３内でその位置を定めている。
【００５２】
このような構成において、本実施の形態では、溝１３３の底面に窪み１７５を設けるだけで溝内凹部１７１を設けることができるので、絶縁板１３２を加工する加工工数が少なく、その製造の容易化を図ることができる。
【００５３】
（変形例）
実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。上記実施の形態は、絶縁板１３２の溝１３３及びシール部材１５１はもとよりのこと、金属セパレータ１１３やシールビード１１５などについても、形状、寸法比率、材質などの様々な要素について一つの例を挙げているにすぎない。実施に際しては、個々の要素の属性が保たれる限り、あらゆる変更や変形が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０１    燃料電池スタック
１０２    シール構造
１１１    発電セル
１１１ａ  エンドセル
１１２    膜電極接合体
１１３    金属セパレータ
１１４    樹脂フィルム
１１５    シールビード
１１６    流路
１１７    弾性部材
１３１    エンドプレート
１３２    絶縁板
１３３    溝
１５１    シール部材
１５２    底面突条
１５３    側面突部
１５３ａ  端部
１７１    溝内凹部
１７２    枠体
１７３    嵌合部
１７４    充填部
１７５    窪み
Ｇ    隙間
【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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