(57)【要約】【課題】ガスケットとセパレータとの接触領域の周囲に水分が溜まり難いガスケットが配置された燃料電池を提供する。【解決手段】各々が、電解質１ａの両側にアノード１ｂ及びカソード１ｃがそれぞれ配置されたＭＥＡ１１と、該ＭＥＡの両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータ１２とを有する、積層された複数の燃料電池セル１０と、互いに隣接する２つの燃料電池セルの内の一方の燃料電池セルの第１のセパレータ１２と、他方の燃料電池セルの第２のセパレータ１２との間に、積層方向に沿う圧縮変形を伴って配置されたガスケット１６とを有し、ガスケット１６は、セパレータに接するセパレータ接触面１７ａ及び１７ｂと、該セパレータ接触面に隣接する側面領域１８ａ及び１８ｂとを有しており、積層方向に直交する面１０２と側面領域１８ａ及び１８ｂとのなすガスケット側の角度は９０度以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、隣り合う２つのセパレータの間に、圧縮変形を伴って配置されるガスケットであって、
セパレータに接するセパレータ接触面と、
前記セパレータ接触面に隣接する側面領域と、
を有し、
圧縮方向に直交する面と前記側面領域とのなすガスケット側の角度は９０度未満である、ガスケット。
【請求項２】
前記セパレータ接触面及び前記側面領域を通る断面が、鼓形状を有する、請求項１記載のガスケット。
【請求項３】
前記セパレータ接触面が、外側に凸の曲面である、請求項１又は２記載のガスケット。
【請求項４】
各々が、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを有する、積層された複数の燃料電池セルと、
互いに隣接する２つの燃料電池セルの内の一方の燃料電池セルの第１のセパレータと、他方の燃料電池セルの第２のセパレータとの間に、積層方向に沿う圧縮変形を伴って配置されたガスケットと、
を具備し、
前記ガスケットは、セパレータに接するセパレータ接触面と、該セパレータ接触面に隣接する側面領域とを有しており、
積層方向に直交する面と前記側面領域とのなすガスケット側の角度は９０度以下である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池に備えられたセパレータ間のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、固体高分子電解質型の燃料電池の構造を示している。一般に、固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）９１と、それを挟持する２つのセパレータ９２とからなる燃料電池セル９０を積層して構成される。ＭＥＡ９１は、イオン交換膜からなる電解質膜９ａと、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）９ｂおよび電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）９ｃとを含んでいる。また、セパレータ９２の両面には、燃料ガス又は酸化ガスをＭＥＡに供給するためのガス流路９３、及び、冷却水を流通させるための流路９４がそれぞれ形成されている。さらに、ＭＥＡ９１の周縁には接着剤９５が配置されており、それにより、ＭＥＡ９１が２つのセパレータ９２に対して固着されると共に、２つのセパレータ９２間がシールされる。
【０００３】
スタック構造を有する燃料電池を作製する際には、通常、複数の燃料電池セル９０を、ガスケット９６を介して積層し、積層方向の両端にターミナル（電極板）や、インシュレータや、エンドプレートを配置して締め付け、テンションプレート等の締結部材を用いて固定する。それにより、ガスケット９６が圧縮変形し、隣接する燃料電池セル９０の間がシールされる。なお、図６において、最上段のガスケット９６は、圧縮変形する前の状態を示している。
【特許文献１】特開２００５−１９７０８６号公報
【特許文献２】特開２００６−１０７９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図６に示すように、隣接する燃料電池セル９０間をシールするガスケットとしては、圧縮前の状態で山型のガスケット９６を用いることが多い。このようなガスケット９６を２つのセパレータ９２で挟持して圧縮すると、ガスケット９６は積層方向に略直交する方向において膨らむように変形する。すると、ガスケット９６の周囲に、ガスケット９６及びセパレータ９２に挟まれる鋭角的な隙間が形成されてしまう。それにより、ＭＥＡ９１における発電の際に生成された水分（生成水）１００がこのような隙間に溜まり易くなり、燃料電池に対して様々な影響を及ぼしてしまう。
【０００５】
例えば、発電時の熱により生成水１００が蒸発すると、生成水１００に溶けていたイオンが濃化するので、ガスケット９６やセパレータ９２等の部材の腐食や、コンタミネーションの析出を招き、それらの部材の劣化を早めるおそれがある。また、低温の環境下においては、ガスケット９６とセパレータ９２との隙間に入り込んだ生成水１００が凍結して膨張することによりセパレータ９２からの反力を低下させてしまったり、凍結した生成水１００によりガスケット９６の圧縮変形が妨げられ、圧縮量が不十分となることにより、シールの信頼性を低下させるおそれがある。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、セパレータとの接触面が平面形状であるガスケットが開示されている。また、特許文献２には、セパレータとの接触面が広いガスケットと狭いガスケットとが交互に配置された燃料電池が開示されている。しかしながら、いずれの文献に開示されたガスケットを使用しても、ガスケットを圧縮することにより、ガスケットとセパレータとの接触領域の周囲に鋭角的な隙間が形成される可能性は高く、そこに水分が溜まってしまうおそれがある。
【０００７】
そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、ガスケットとセパレータとの接触領域の周囲に水分が溜まり難いガスケットと、そのようなガスケットが設けられた燃料電池と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】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の１つの観点に係るガスケットは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、隣り合う２つのセパレータの間に、圧縮変形を伴って配置されるガスケットであって、セパレータに接するセパレータ接触面と、前記セパレータ接触面に隣接する側面領域とを有し、圧縮方向に直交する面と前記側面領域とのなすガスケット側の角度は９０度未満である。
かかる構成とすることにより、２つのセパレータでガスケットを挟持して圧縮した際に、圧縮変形したガスケットとセパレータとの間に鋭角的な隙間が形成されるのを抑制することができる。
【０００９】
ここで、前記セパレータ接触面及び前記側面領域を通る断面は、例えば、鼓形状を有していても良い。
また、前記セパレータ接触面を、外側に凸の曲面とすることにより、ガスケットを圧縮した際に、セパレータ接触面の中央部における面圧の低下を抑制することができる。
【００１０】
さらに、本発明の１つの観点に係る燃料電池は、各々が、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを有する、積層された複数の燃料電池セルと、互いに隣接する２つの燃料電池セルの内の一方の燃料電池セルの第１のセパレータと、他方の燃料電池セルの第２のセパレータとの間に、積層方向に沿う圧縮変形を伴って配置されたガスケットとを具備し、前記ガスケットは、セパレータに接するセパレータ接触面と、該セパレータ接触面に隣接する側面領域とを有しており、積層方向に直交する面と前記側面領域とのなすガスケット側の角度は９０度以下である。
かかる構成とすることにより、水分が溜まりやすい鋭角的な隙間がガスケットの周囲に形成されるのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電の際に生じた生成水が圧縮変形したガスケットの周囲に溜まるのを防ぐことができるので、生成水の滞留に起因するガスケットやセパレータ等の部材の劣化や、セパレータ間のシールの信頼性の低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスケットが設けられた燃料電池を示す断面図である。この燃料電池は、積層された複数の燃料電池セル１０を備える固体高分子電解質型の燃料電池である。各燃料電池セル１０は、ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）１１と、これを挟持する２つのセパレータ１２とを含んでいる。
【００１３】
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１ａと、電解質膜１ａを両側から挟持するアノード１ｂ及びカソード１ｃとを含むイオン交換体である。アノード１ｂ及びカソード１ｃは、白金（Ｐｔ）等の触媒が結着された拡散層（例えば多孔質のカーボン素材）によって形成されている。このようなＭＥＡ１１において、アノード１ｂに供給される燃料ガス（例えば水素ガス）とカソード１ｂに供給される酸化ガス（例えば空気）との電気化学反応により、電気が発生する。
【００１４】
２つのセパレータ１２は、カーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）のように、ガス不透過性又はガス難透過性を有する導電性材料によって構成されている。また、各セパレータ１２の一方の面には、アノード１ｂに供給される燃料ガスや、カソード１ｃに供給される酸化ガスを流通させるためのするためガス流路１３が形成されている。また、各セパレータ１２のもう一方の面には、冷却水を流通させるための流路１４が形成されている。
【００１５】
ＭＥＡ１１の周縁部には、接着剤１５が配置されている。接着剤１５は、ＭＥＡ１１とセパレータ１２とを固着すると共に、ガス流路１３からのガス漏れを防止するシール部材として作用する。
【００１６】
また、隣り合う燃料電池セル１０のセパレータ１２同士の間には、ガスケット１６が、積層方向に沿う圧縮変形を伴って配置されている。ガスケット１６は、２つのセパレータ１２間をシールすることにより、流路１４を流通する冷却水や、電気化学反応の際に生成された水分の漏れを防ぐ。なお、図１において、最上段のガスケット１６は、圧縮変形する前の状態を示している。
【００１７】
図２は、図１に示すガスケット１６を拡大して示す断面図である。
図２の（ａ）に示すように、ガスケット１６は、２つのセパレータ１２にそれぞれ接する２つのセパレータ接触面１７ａ及び１７ｂと、それらのセパレータ接触面１７ａ及び１７ｂを互いに接続する側面１８とを有している。そして、このガスケット１６は、ガスケット１６の圧縮方向に直交する面１０１と、各セパレータ接触面１７ａ、１７ｂに隣接する側面領域１８ａ、１８ｂとのなすガスケット１６側の角度θ1が、９０度未満であることを特徴としている。具体的には、２つのセパレータ接触面１７ａ及び１７ｂ並びに側面１８を通るガスケット１６の断面は、鼓形状となっている。
【００１８】
ガスケット１６をこのような形状とすることにより、図２の（ｂ）に示すように、ガスケット１６を２つのセパレータ１２で挟持して圧縮した場合においても、ガスケット１６の圧縮方向（即ち、燃料電池セル１０の積層方向）に直交するガスケット設置面１０２と側面領域１８ａ、１８ｂとのなすガスケット１６側の角度θ2は、略９０度以下となり、側面１８がガスケット１６の外側に向かって大きく張り出すことはなくなる。それにより、ガスケット１６とセパレータ１２との接触領域の周囲１９に、水分が溜まりやすい鋭角的な隙間が形成されるのを抑制することができる。
【００１９】
ここで、本発明の第１の実施形態においては、ガスケット１６の２つのセパレータ接触面１７ａ及び１７ｂを１つの曲面（側面１８）によって接続している。しかしながら、ガスケットの圧縮方向に直交する面と側面領域とのなすガスケット側の角度θが９０度未満であれば、側面の形状は本実施形態に限定されない。例えば、図３の（ａ）に示すガスケット２０のように、２つのセパレータ接触面２１ａ及び２１ｂを、１箇所において屈曲している側部２２（側面２２ａ及び２２ｂ）によって互いに接続しても良い。或いは、図３の（ｂ）に示すガスケット３０のように、２つのセパレータ接触面３１ａ及び３１ｂを、一部が円柱状である側部３２（側面３２ａ〜３２ｃ）によって互いに接続しても良い。さらに、図３の（ｃ）に示すガスケット４０のように、２つのセパレータ接触面４１ａ及び４１ｂを、円弧形状の断面を有する側面４２によって互いに接続しても良い。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態に係るガスケットについて、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４の（ａ）に示すガスケット５０は、２つのセパレータ接触面５１ａ及び５１ｂと、セパレータ接触面５１ａ及び５１ｂを互いに接続する側面５２とを有している。また、本実施形態においても、ガスケット５０の圧縮方向に直交する面１０１と、各セパレータ接触面５１ａ、５１ｂに隣接する側面領域５２ａ、５２ｂとのなすガスケット５０側の角度θ1は、９０度未満となっている。それにより、図４の（ｂ）に示すように、ガスケット５０を圧縮した場合においても、ガスケット設置面１０２と側面領域５２ａ、５２ｂとのなすガスケット５０側の角度θ2が略９０度を超えることはなくなる。
【００２１】
さらに、本実施形態においては、セパレータ接触面５１ａ及び５１ｂが、圧縮前の状態で外側に凸の曲面となるように形成されていることを特徴としている。
【００２２】
ここで、図５を参照すると、一般に、ガスケットのセパレータ接触面が平面である場合には、図５の（ａ）に示すように、ガスケットとセパレータとの接触面における面圧は、エッジの部分（端部）において局所的に高くなる傾向を示す。即ち、セパレータ接触面の中央付近における面圧は、相対的に低下してしまう。すると、ガスケットとセパレータとの界面におけるシール性を十分に確保できなくなるおそれが生じる。
【００２３】
そこで、図４の（ａ）に示すように、本実施形態に係るガスケット５０においては、セパレータ接触面５１ａ及び５１ｂを外側に凸の曲面としている。それにより、図５の（ｂ）に示すように、ガスケットとセパレータとの接触面における面圧が中央付近において低下するのを抑制し、接触面全体においてほぼ均一にすることができる。その結果、ガスケット５０とセパレータ１２との界面におけるシール性を十分に確保することが可能になる。
なお、２つのセパレータ接触面５１ａ及び５１ｂを互いに接続する側面又は側部の形状については、例えば図３に示すように、様々な形状を採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスケットが配置された燃料電池の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示すガスケットの形状を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るガスケットの変形例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るガスケットの形状を示す断面図である。
【図５】ガスケットとセパレータとの接触面における面圧分布を示す図である。
【図６】従来の燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ａ…電解質膜、１ｂ…アノード、１ｃ…カソード、１０…燃料電池セル、１１…膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）、１２…セパレータ、１６、２０、３０、４０、５０…ガスケット、１７ａ、１７ｂ、５１ａ、５１ｂ…セパレータ接触面、１８ａ、１８ｂ、５２ａ、５２ｂ…側面領域、１０１…圧縮方向に直交する面、１０２…ガスケット設置面
【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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