(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルのセパレータの表面に配置され、隣接する燃料電池セルとの間を密封するシール部材であって、
前記各燃料電池セルと密着する第１のシール部と、
前記第１のシール部に対して前記セパレータの面方向に並んで配置され、前記各燃料電池セルと密着する第２のシール部と、
前記セパレータの面方向において前記第１のシール部と前記第２のシール部との間を連結する連結部と、
を備え、
前記連結部は、
前記第１のシール部と前記第２のシール部との間の途中部分と、
前記第１のシール部から前記途中部分までの第１の片側部分と、
前記第２のシール部から前記途中部分までの第２の片側部分と、
を有し、
前記第１および第２の片側部分のそれぞれは、前記第１および第２のシール部のいずれよりも厚みが小さく、
前記途中部分は、前記第１および第２の片側部分のいずれよりも厚みが大きく、
前記途中部分は、前記第１のシール部および前記第２のシール部のいずれよりも厚みが小さい、
シール部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル間を密封するシール部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有している。各燃料電池セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。セパレータには、反応ガス流路や、冷却媒体流路、反応ガスマニホールド、冷却媒体マニホールドが形成されていることから、これらの周囲には、適宜、それぞれの流体の漏洩を抑制するためのシール部材が設けられる。具体的には、特許文献１には、セパレータの表面に、シール部材としてのガスケットが配置された構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６５６３５号公報
【特許文献３】特開２０１４−２２９５８４号公報
【特許文献４】特開２００９−１２９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記先行技術のガスケットを用いる構成において、例えば二つの流体が接近している場合には、それぞれに独立したガスケットを配置する二重シール構造とすることが考えられる。二重シール構造の場合、ガスケットとガスケットの間が接近し過ぎると、ガスケットを押し潰そうとしても、ガスケット同士が衝突してガスケットが圧縮方向に十分に変形できないことがあった。この場合、燃料電池セル間に面圧を十分に付与できず、十分なシール性を確保できなかった。このため、二重シール構造を採用するシール部材において、十分なシール性を確保できる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態は、燃料電池セルのセパレータの表面に配置され、隣接する燃料電池セルとの間を密封するシール部材である。前記シール部材は、前記各燃料電池セルと密着する第１のシール部と、前記第１のシール部に対して前記セパレータの面方向に並んで配置され、前記各燃料電池セルと密着する第２のシール部と、前記セパレータの面方向において前記第１のシール部と前記第２のシール部との間を連結する連結部と、を備える。前記連結部は、前記第１のシール部と前記第２のシール部との間の途中部分と、前記第１のシール部から前記途中部分までの第１の片側部分と、前記第２のシール部から前記途中部分までの第２の片側部分と、を有する。前記第１および第２の片側部分のそれぞれは、前記第１および第２のシール部のいずれよりも厚みが小さく、前記途中部分は、前記第１および第２の片側部分のいずれよりも厚みが大きい。
【０００７】
この形態のシール部材によれば、第１のシール部と前記第２のシール部との間は連結部によって結ばれ、その上、連結部の途中部分が、その途中部分の両側（第１の片側部分、第２の片側部分）より厚みが増していることから、密封する際に、第１および第２の片側部分の変形が抑制され、第１のシール部と前記第２のシール部とが衝突することがない。このため、密封する際に各シール部が面圧方向に十分に変形できないことを抑制できる。したがって、この形態のシール部材によれば、第１のシール部と前記第２のシール部とによる二重シール構造であっても、十分なシール性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】セルのアノード側セパレータをＭＥＡとは反対側から見た概略平面図である。
【図３】図２に示したアノード側セパレータのＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図４】図２に示したアノード側セパレータのＢ−Ｂ断面を示す説明図である。
【図５】図２に示したアノード側セパレータの破断円部分Ｃを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の燃料電池セル（以下、単に「セル」とも呼ぶ）１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、セル１４０の積層方向は、鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。
【００１０】
燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００１１】
さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。
【００１２】
燃料電池スタック１００に備えられる各セル１４０は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）３０を一対のセパレータ、すなわちアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０によって挟持された構成となっている。アノード側セパレータ５０は、ＭＥＡ３０側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＡ３０と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。カソード側セパレータ４０は、ＭＥＡ３０側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。なお、アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０によって挟持されるＭＥＡ３０の外周には、絶縁性を有する樹脂製のフレーム部材３２が設けられている。
【００１３】
図２は、セル１４０のアノード側セパレータ５０をＭＥＡ３０とは反対側から見た概略平面図である。図２において、表裏方向が積層方向Ｘであり、上下方向が鉛直方向Ｙである。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の左右方向は水平方向Ｚである。アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。本実施形態では、セパレータ４０，５０はメタルプレスセパレータである。
【００１４】
アノード側セパレータ５０の水平方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド６２と、冷却媒体出口マニホールド８４と、酸化剤ガス入口マニホールド７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド８２と、燃料ガス出口マニホールド６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口マニホールド６２および燃料ガス出口マニホールド６４と、酸化剤ガス入口マニホールド７２および酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド８２および冷却媒体出口マニホールド８４、は水平方向Ｚの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。
【００１５】
燃料ガス入口マニホールド６２から供給された燃料ガスは、セル１４０の燃料ガス流路溝５２（図１）に分配された後、燃料ガス出口マニホールド６４によって燃料ガス流路溝５２において利用されなかった燃料ガスが集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、酸化剤ガス入口マニホールド７２から供給された酸化剤ガスは、セル１４０の酸化剤ガス流路溝４２（図１）に分配された後、酸化剤ガス出口マニホールド７４によって酸化剤ガス流路溝４２において利用されなかった酸化剤ガスが集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００１６】
さらに、冷却媒体入口マニホールド８２から供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ５０のディンプル５６が設けられた一端を介して拡散され、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体流路溝５４からディンプル５６が設けられた他端を介して、冷却媒体出口マニホールド８４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、アノード側セパレータ５０のＭＥＡ３０とは反対側から見た平面において、冷却媒体入口マニホールド８２と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド８４とは、水平方向Ｚに互いに連通して、冷却媒体流路面２００を構成する。なお、各マニホールド６２，６４，７２，７４，８２，８４は開口が略矩形状である。また、各マニホールドは燃料電池スタック１００の積層方向Ｘに伸びる形状を有している。
【００１７】
アノード側セパレータ５０のＭＥＡ３０とは反対側から見た平面には、各反応ガスマニホールド６２，６４，７２，７４および冷却媒体流路面２００をそれぞれ囲むシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５（シール構造）が形成されている。シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、線状のシールラインを構成し、複数のセル１４０を積層した際に、隣接する他のセル１４０の表面に当接し、二つのセル１４０の間を密封する機能を有する。具体的には、シール部材ＳＬ１，ＳＬ２が燃料ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シール部材ＳＬ３，ＳＬ４が酸化剤ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シール部材ＳＬ５が冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。これらのシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、射出成形やプレス成形等により形成されるもので、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５の材料としては、ゴムや熱可塑性エラストマー等を用いることができる。これらのシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５が配置される領域（アノード側セパレータ５０のＭＥＡ３０とは反対側から見た平面の一部）には、溝部８０が形成されている。
【００１８】
図２中には、アノード側セパレータ５０の酸化剤ガス出口マニホールド７４付近に形成されたシール部材ＳＬ４の平面視を示した。シール部材ＳＬ４は、幅方向の中央付近に中央シール部２１を備え、中央シール部２１の両側に周縁部２２を備える。中央シール部２１と周縁部２２とは、一体に形成されている。
【００１９】
図３は、図２に示したアノード側セパレータ５０のＡ−Ａ断面を示す説明図である。シール部材ＳＬ４の中央シール部２１は、複数のセル１４０を積層した状態で二つのセル１４０の間を密封するように機能する。シール部材ＳＬ４の周縁部２２は、中央シール部２１よりも厚みが小さく構成されている。本明細書において、「厚み」とは、セル１４０の積層方向の寸法を意味する。シール部材ＳＬ４の幅Ｗｇは溝部８０のＷｓよりも小さく構成されており、溝部８０内にシール部材ＳＬ４は配置される。なお、シール部材ＳＬ４における形状的特徴は、他のシール部材ＳＬ１〜ＳＬ３，ＳＬ５においても同様である。
【００２０】
図３（ａ）は、燃料電池スタック１００を組み立てる際に、隣接する他のセル１４０のカソード側セパレータ４０をアノード側セパレータ５０に当てた状態の説明図である。図中において、隣接する他のセル１４０は破線で示した。このとき、シール部材ＳＬ４の中央シール部２１は、カソード側セパレータ４０に当たっている。
【００２１】
図３（ｂ）は、アノード側セパレータ５０と隣接する他のセル１４０のカソード側セパレータ４０との間を圧縮した状態の説明図である。図３（ａ）の状態から、アノード側セパレータ５０と隣接する他のセル１４０のカソード側セパレータ４０との間に圧縮力（白抜きの矢印）が付与されると、図３（ｂ）に示すように、シール部材ＳＬ４は、積層方向Ｘに圧縮され、復元力によって各セパレータ４０，５０に対して面圧を付与する。詳しくは、シール部材ＳＬ４の中央シール部２１が積層方向Ｘに変形し、中央シール部２１の復元力によって各セパレータ４０，５０に対して面圧を付与する。この結果、中央シール部２１は、アノード側セパレータ５０の表面と、隣接する他のセル１４０のカソード側セパレータ４０の表面とに密着し、隣接する他のセル１４０との間を密封する。
【００２２】
本実施形態では、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、接着剤によってセパレータに貼り合わされることはなく、溝部８０内にシール部材ＳＬ４を配置し、上記のようにセル間を圧縮することで、セル１４０間を密封している。
【００２３】
密封する際に、シール部材ＳＬ４の周縁部２２は、シール部材ＳＬ４の横ずれを抑制するように機能する。図３（ｂ）に示すように、溝部８０は外周側傾斜壁８１と内周側傾斜壁８３とを有するが、シール部材ＳＬ４は、溝部８０内を面方向に移動（横ずれ）したときに、周縁部２２が中央シール部２１よりも先に外周側傾斜壁８１または内周側傾斜壁８３に当たるため、シール部材ＳＬ４の横ずれの距離を短縮できる。
【００２４】
また、本実施形態では、隣接する他のセル１４０のカソード側セパレータ４０をアノード側セパレータ５０に当てた図３（ａ）の状態において、溝部８０の周縁におけるカソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０との間の隙間Ｓｓよりも、シール部材ＳＬ４の高さＧｈが大きくなっていることから、密封する際に、隙間Ｓｓからシール部材ＳＬ４が飛び出すことを防止できる。
【００２５】
本実施形態では、セル１４０間を密封するに際し、セパレータ４０，５０を圧縮するようにしていることから、セパレータ４０，５０に微小なうねりがあった場合にも、隙間が空きにくく、シール部材ＳＬ４の飛び出しをより防止できる。
【００２６】
本実施形態では、前述したように、シール部材ＳＬ４の幅Ｗｇは溝部８０のＷｓよりも小さいことから、ロボットでのシール部材ＳＬ４の設置が容易である。
【００２７】
図４は、図２に示したアノード側セパレータ５０のＢ−Ｂ断面を示す説明図である。この断面は、図２に示したアノード側セパレータ５０の燃料ガス出口マニホールド６４と冷却媒体入口マニホールド８２との間の断面である。燃料ガス出口マニホールド６４と冷却媒体入口マニホールド８２とのそれぞれには、独自のシール部材ＳＬ２，ＳＬ５が設けられているが、燃料ガス出口マニホールド６４と冷却媒体入口マニホールド８２とが隣り合う部分では、図４に示すように、燃料ガス用のシール部材ＳＬ２と、冷却媒体用のシール部材ＳＬ５とが連結された構造となっている。この連結された全体を二重シール構造３００と呼ぶ。なお、二重シール構造３００における形状的特徴は、シール部材ＳＬ２とシール部材ＳＬ５とについての構成に限らず、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５から選択された他の２本のシール部材の組合せにおいても同様である。
【００２８】
二重シール構造３００は、燃料ガス用のシール部材ＳＬ２と、冷却媒体用のシール部材ＳＬ５とを含み、燃料ガス用のシール部材ＳＬ２における冷却媒体用のシール部材ＳＬ５側の周縁部２２と、冷却媒体用のシール部材ＳＬ５における燃料ガス用のシール部材ＳＬ２側の周縁部２２とが、厚肉部２４を介して連結された構成を有する。すなわち、この二重シール構造３００は、密封機能を有するシール部材ＳＬ２の中央シール部２１とシール部材ＳＬ５の中央シール部２１との間を連結する部材として連結部３１０を備え、この連結部３１０は、燃料ガス用のシール部材ＳＬ２における冷却媒体用のシール部材ＳＬ５側の周縁部２２と、冷却媒体用のシール部材ＳＬ５における燃料ガス用のシール部材ＳＬ２側の周縁部２２と、両周縁部２２，２２の間に位置する厚肉部２４とを有する。
【００２９】
連結部３１０を構成する各周縁部２２，２２と厚肉部２４とは一体に形成されている。厚肉部２４は、周縁部２２，２２よりも厚みが大きく構成される。すなわち、厚肉部２４の厚みは、周縁部２２，２２の厚みよりも大きい。また、厚肉部２４の厚みは、中央シール部２１，２１の厚み以下となっており、本実施形態では、中央シール部２１，２１の厚みより少しだけ小さい。
【００３０】
従来、独立した（分離した）２本のシール部材が、接近し過ぎると、シール部材を押し潰そうとしても、シール部材同士が衝突してシール部材が圧縮方向に十分に変形できないことがあった。特に、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５が接着剤によってセパレータに貼り合わされていない場合に、上記の接近し過ぎが起こりやすく、この問題が看過できない。これに対して、二重シール構造３００によれば、シール部材ＳＬ２の中央シール部２１とシール部材ＳＬ５の中央シール部２１との間は連結部３１０によって結ばれ、その上、連結部３１０の途中部分が厚肉部２４によって厚みが増していることから、密封する際に連結部３１０を構成する周縁部２２，２２の変形が抑制される。周縁部２２，２２の変形が抑制されると、シール部材ＳＬ２の中央シール部２１と、シール部材ＳＬ５の中央シール部２１とが衝突することがない。このため、密封する際に各中央シール部２１，２１が圧縮方向に十分に変形できないことを抑制することができる。したがって、二重シール構造３００によれば、シール部材ＳＬ２の中央シール部２１とシール部材ＳＬ５の中央シール部２１とによる二重シール構造であっても、各中央シール部２１，２１で十分な面圧を発生させることができ、十分なシール性を確保できる。
【００３１】
本実施形態において、シール部材ＳＬ２の中央シール部２１が［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第１のシール部」および「第２のシール部」の一方に相当し、シール部材ＳＬ５の中央シール部２１が「第１のシール部」および「第２のシール部」の他方に相当する。厚肉部２４が本発明の一形態における「途中部分」に相当し、シール部材ＳＬ２の周縁部２２が「第１の片側部分」および「第２の片側部分」の一方に相当し、シール部材ＳＬ５の周縁部２２が「第１の片側部分」および「第２の片側部分」の他方に相当する。
【００３２】
図５は、図２に示したアノード側セパレータ５０の破断円部分Ｃを示す平面図である。この破断円部分Ｃは、二重シール構造３００の一端付近であり、縦壁４００が設けられている。縦壁４００は、図２にも示すように、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５が配置される溝部８０の周辺に必要に応じて設けられている。二重シール構造３００の一端付近ではない通常の部分では、縦壁４００は直線状である。
【００３３】
これに対して、図５に示すように、縦壁４００における二重シール構造３００の一端付近の部分４１０は、一方のシール部材ＳＬ２のコーナー部の途中まで回り込み、かつ、他方のシール部材ＳＬ５のコーナー部の途中まで回り込んだ構成となっている。この構成によれば、縦壁４００の部分４１０によって、シール部材ＳＬ２、ＳＬ５の蛇行を防ぐことができる。なお、縦壁４００の部分４１０における形状的特徴は、他の二重シール構造の一端付近（図２中の他の破断円部分）においても同様である。
【００３４】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池システム
２１…中央シール部
２２…周縁部
２４…厚肉部
３２…フレーム部材
４０…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
５６…ディンプル
６２…燃料ガス入口マニホールド
６４…燃料ガス出口マニホールド
７２…酸化剤ガス入口マニホールド
７４…酸化剤ガス出口マニホールド
８０…溝部
８１…外周側傾斜壁
８２…冷却媒体入口マニホールド
８３…内周側傾斜壁
８４…冷却媒体出口マニホールド
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２００…冷却媒体流路面
３００…二重シール構造
３１０…連結部
４００…縦壁
４１０…部分
Ｃ…破断円部分
ＳＬ１〜ＳＬ５…シール部材
【図１】
0006520677.tif 000002
【図２】
0006520677.tif 000003
【図３】
0006520677.tif 000004
【図４】
0006520677.tif 000005
【図５】
0006520677.tif 000006