(57)【要約】【課題】セパレータとは別に設けていたガスケットを不要とし、ガスケットを用いることによって生じる洩れを無くした、燃料電池（燃料電池のシール構造）の提供。【解決手段】（１）流体流路をもつメタルセパレータ１８とＭＥＡとを重ねてセル１９を構成し、該セルを重ねてスタック２３とした燃料電池であって、流体流路が形成されたと同じメタルセパレータ１８に流体流路が形成された部分を囲むようにリブ３２を形成し、該リブを隣接するセル１９のメタルセパレータ１８に接触させて該リブによって囲まれる流体流路のシールとした燃料電池。（２）リブ３２を複数条設けた。（３）リブ３２の突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとした。【選択図】        図２
2004342493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス流路、その裏面の冷媒流路、および反応ガス流路と接続する反応ガスマニホールド、冷媒流路に接続する冷媒マニホールド、を含む流体流路をもつメタルセパレータとＭＥＡとを重ねてセルを構成し、該セルを重ねてスタックとした燃料電池であって、前記流体流路が形成されたと同じメタルセパレータに前記流体流路が形成された部分を囲むようにリブを形成し、該リブを隣接するセルのメタルセパレータに接触させて該リブによって囲まれる流体流路のシールとした燃料電池。
【請求項２】
前記流体流路が形成された部分を囲むリブを複数条設けた請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流体流路が形成された部分を囲むリブの突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとした請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
複数条の前記リブの突起先端部断面形状を互いに異ならせた請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、とくにメタルセパレータを有する燃料電池のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１、図５、図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。セパレータ１８には、反応ガス流路２７、２８に接続された反応ガスマニホールド３０、３１（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）が形成されるとともに、冷媒流路２６に接続された冷媒マニホールド２９が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−  
カソード側：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
燃料ガス流路２７、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８、酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６、冷媒マニホールド２９からなる流体流路は、各種流体毎に（燃料ガス、酸化ガス、冷媒毎に）シールされ、各種流体が混じり合わないように、また、外部に洩れないようにされる。
特開２００２−２８９２２３号公報は、セパレータにメタルセパレータを用いた燃料電池において、セパレータとは別にガスケットを設け、このガスケットを用いてセパレータ間をシールするようにしたものを開示している。
また、図５、図６に示すように、隣接するセル間のシールは、ゴムガスケット４０をメタルセパレータ１８に熱融着しておきゴムガスケット４０の先端を隣りのセルのセパレータに接触させて行い、ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ間は、接着剤３３を用いて行うようにしてもよい。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来燃料電池の、ガスケットを用いるシール構造には、つぎの問題がある。
▲１▼  セパレータと別にガスケットが必要である。
▲２▼  ガスケットのずれが生じることで洩れなどの不良が生じるおそれがある。たとえば、特開２００２−２８９２２３号公報ではガスケットのリブがシール部材の凹部から乗り出して洩れなどの不良が生じるおそれがある。
▲３▼  ガスケットをメタルセパレータに熱融着する場合には、熱融着時のガスケットのずれにより洩れなどの不良が生じるおそれがある他、圧着時のバリの除去（手作業）が必要で、その時ガスケットに傷を付けたり、カスがガスケットに付着し、ガスケットの浮き上がりを生じて洩れの原因になるおそれがある。
本発明の目的は、セパレータとは別に設けていたガスケットを不要とし、ガスケットを用いることによって生じる洩れを無くした、燃料電池（燃料電池のシール構造）を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  反応ガス流路、その裏面の冷媒流路、および反応ガス流路と接続する反応ガスマニホールド、冷媒流路に接続する冷媒マニホールド、を含む流体流路をもつメタルセパレータとＭＥＡとを重ねてセルを構成し、該セルを重ねてスタックとした燃料電池であって、前記流体流路が形成されたと同じメタルセパレータに前記流体流路が形成された部分を囲むようにリブを形成し、該リブを隣接するセルのメタルセパレータに接触させて該リブによって囲まれる流体流路のシールとした燃料電池。
（２）  前記流体流路が形成された部分を囲むリブを複数条設けた（１）記載の燃料電池。
（３）  前記流体流路が形成された部分を囲むリブの突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとした（１）または（２）記載の燃料電池。
（４）  複数条の前記リブの突起先端部断面形状を互いに異ならせた（２）記載の燃料電池。
【０００６】
上記（１）〜（４）の燃料電池では、ガスケットに代えて、メタルセパレータ自体にリブを形成し、該リブを隣接するセルのメタルセパレータに接触させて該リブによって囲まれる流体流路のシールとしたので、従来のガスケットが不要になり、ガスケットを用いたために生じる洩れを除去できる。
上記（２）の燃料電池では、リブを複数条に形成したので、１条の場合に比べてシールの信頼性が上がる。
上記（３）の燃料電池では、リブの突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとしたので、プレスにより成形可能であるとともに、良好なシール性が得られる。
上記（４）の燃料電池では、複数条のリブの突起先端部断面形状を互いに異ならせたので、複数条のリブが同じ断面形状を有する場合に比べて、シール性を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池（のシール構造）を図１〜図４を参照して説明する。図１の従来の燃料電池の一般構成は、本発明の燃料電池にも適用される。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、上下に限るものではなく、任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
ＭＥＡをセパレータ１８で挟んでセル１９を構成し、１以上のセル１９からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
セパレータ１８は金属製である。以下、メタルセパレータ１８ともいう。
【００１０】
セパレータ１８には、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８と、反応ガス流路２７、２８の背面に、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６は、矩形状のセパレータ１８の対向する両端部を除いた部分（発電領域）に形成され、セル面内方向に延びている。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６は、メタルセパレータ１８をプレス成形により凹凸させて形成された流路からなる。
【００１１】
セパレータ１８には、冷媒流路２６に接続された冷媒マニホールド２９、燃料ガス２７に接続された燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に接続された酸化ガスマニホールド３１が形成されている。燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１は反応ガスマニホールド３０、３１を構成する。冷媒マニホールド２９、反応ガスガスマニホールド３０、３１は、矩形状のセパレータ１８の対向する両端部に設けられている。
冷媒流路２６、反応ガス流路２７、２８、冷媒マニホールド２９、反応ガスマニホールド３０、３１は、流体流路を構成する。
【００１２】
各種流体流路は、異種の流体が混じり合わないように、互いにシールされる。セル１９間は、以下に説明するリブ３２によってシールされ、セル１９内は、すなわちＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間、およびセパレータ１８と電解質膜１１間は、図５の場合と同様、塗布される接着剤３３によってシールされる。
本発明が従来と異なるのは、リブ３２によるセル１９間シール構造である。
【００１３】
反応ガス流路２７、２８、その裏面の冷媒流路２６、および反応ガス流路と接続する反応ガスマニホールド３０、３１、冷媒流路２６に接続する冷媒マニホールド２９、を含む流体流路をもつメタルセパレータ１８と同じメタルセパレータ１８に、流体流路が形成された部分を囲むようにリブ３２が形成されている。
【００１４】
リブ３２は隣接するセル１９のメタルセパレータ１８に接触し、該リブ３２によって囲まれる流体流路のシールを構成する。リブ３２の配置部位は、従来のゴムカスケットが配置されていた部位であり、リブ３２がシールを構成することにより従来のゴムカスケット４０は設けられない。リブ３２は従来のゴムカスケット４０に代わるものであり、セパレータ１８に一体に形成されて、ガスケットレス構造とする。
【００１５】
リブ３２は、メタルセパレータ１８をプレスにより形成した突起からなる。
リブ３２は、セル１９においてＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８のうち，何れか一方のセパレータ１８に形成され、他方のセパレータ１８には形成されない。
リブ３２は、スタック２３のセル積層方向に、ＭＥＡと反対側に、すなわち隣りのセル１９側に突出する。リブ３２の高さは、スタック２３に締めつけ力をかけた時に、リブ３２の先端が隣りのセル１９のセパレータ１８に押し当てられる高さである。
シールは、薄い金属板の突起構造からなる、したがって弾性を有するリブ３２と、リブ３２が当たるセパレータ１８との金属接触によって得られる。
【００１６】
リブ３２の形成は、冷媒流路２６、反応ガス流路２７、２８のプレス成形と同時に、および／または、冷媒マニホールド２９、反応ガスマニホールド３０、３１のプレス打抜きと同時に、プレスにより、成形されることが望ましい。これにより、リブ３２を特別な工程増を伴わなく形成できる。
リブ３２は、該リブ３２が囲む流体流路が形成された部分に対して、複数条設けられてもよい。図３は、リブ３２が、リブ３２が囲む流体流路が形成された部分に対して、２条設けられている場合を示す。リブ３２を複数条とすることにより、１条の場合に比べて、シール性が向上する。
【００１７】
図４に示すように、リブ３２の突起先端部断面形状は、凸型湾曲（図４の（イ））、凸型角形（図４の（ロ））、凹凸形状（図４の（ハ）に示すようなギザギザ形状）の何れかであることが望ましい。
リブ３２が、該リブ３２が囲む流体流路が形成された部分に対して、複数条設けられる場合は、複数条のリブ３２の突起先端部断面形状を互いに異ならせることが望ましい。たとえば、内側のリブ３２の先端形状を凸方湾曲とし、外側のリブ３２の先端形状を凹凸形状とする。
【００１８】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
本発明の燃料電池１０では、従来のガスケットに代えて、メタルセパレータ１８自体にリブ３２を一体に形成し、該リブ３２を隣接するセル１９のメタルセパレータ（リブ３２を形成しない方のセパレータ）に接触させてリブ３２によって囲まれる流体流路のシールとしたので、従来のガスケット（たとえば、図５のゴムガスケット４０）が不要になり、ガスケットを用いたために生じる流体の洩れを除去できる。
別部材のガスケットを用いないので、ガスケットの製作コストおよび組み付けコストが不要になり、コストダウンをはかることができる。また、ゴムガスケットに生じるような、バリ取り時のガスケットの傷つき、バリカスによるシール不全など、ガスケットを用いたために生じる流体の洩れが生じなくなる。
【００１９】
リブ３２を複数条に形成した場合は、リブ３２を１条形成した場合に比べてシールの信頼性が上がる。複数条の場合は、そのうちの１条のリブにシール性不良が生じても、他の条のリブがバックアップシールとして働くので、シール性が向上する。
また、リブ３２の突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとしたので、良好なシール性を確保したまま、プレスによる成形が可能である。
【００２０】
複数条のリブ３２を形成する場合に、リブの先端部断面形状を互いに異ならせることによりシール性を高めることができる。１種の断面形状の場合その１種の断面形状のリブにシール不良が生じると、同形状のバックアップリブにもシール不良が生じるおそれがあるが、リブの先端部断面形状を互いに異ならせることにより複数条のリブの全てにシール不良が生じるおそれが少なくなり、シール性が高まる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１〜４の燃料電池によれば、ガスケットに代えて、メタルセパレータ自体にリブを形成し、該リブを隣接するセルのメタルセパレータに接触させて該リブによって囲まれる流体流路のシールとしたので、従来のガスケットが不要になり、ガスケットを用いたために生じる洩れを除去できる。
請求項２の燃料電池によれば、リブを複数条に形成したので、１条の場合に比べてシールの信頼性を上げることができる。                                請求項３の燃料電池によれば、リブの突起先端部断面形状を凸型湾曲、凸型角形、凹凸形状の何れかとしたので、良好なシール性を確保したまま、プレスによるリブの成形が可能となる。
請求項４の燃料電池によれば、複数条のリブの先端部断面形状を互いに異ならせたので、複数条のリブが同じ断面形状を有する場合に比べて、シール性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般の燃料電池（本発明にも適用可能）スタックの全体正面図である。
【図２】本発明の燃料電池の単セルの断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のうち、リブが形成されている方のセパレータの正面図である。
【図４】（イ）、（ロ）、（ハ）は本発明の燃料電池のセパレータのリブの種々の断面形状の断面図である。
【図５】本発明による改良前の燃料電池の単セルの断面図である。
【図６】図５の燃料電池の正面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル（１セルで１モジュールを構成する場合は、セル、モジュール）
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  リブ
３３  接着剤
４０  ゴムガスケット
【図１】
2004342493.tif 000003
【図２】
2004342493.tif 000004
【図３】
2004342493.tif 000005
【図４】
2004342493.tif 000006
【図５】
2004342493.tif 000007
【図６】
2004342493.tif 000008