(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極（１１ａ，１１ｂ）を形成した電解質膜（１１）と、電極（１１ａ，１１ｂ）に臨むガス通路（３１，３２）を形成したセパレータ（２，３）とを備える燃料電池（１０）、とともに用いるシール構造において：
電解質膜（１１）とセパレータ（２，３）に挟持される弾性のシール部材（１２，１３）、シール部材（１２，１３）は、シール部材（１２，１３）のシール反力が電解質膜（１１）にもたらす変形量が大きい部位ほど、電解質膜（１１）に対する接触面圧を低下させるように構成される、を備えた、燃料電池（１０）のシール構造。
【請求項２】
請求の範囲第１項のシール構造において、電極（１１ａ，１１ｂ）は電解質膜（１１）のふたつの面に形成されたアノード（１２）とカソード（１３）を備え、セパレータ（２，３）は、アノード（１１ａ）に相接する第１のセパレータ（２）とカソード（１１ｂ）に相接する第２のセパレータ（３）とを備え、ガス通路（３２，３１）は、アノード（１１ａ）に臨んで第１のセパレータ（２）に形成されたアノードガス通路（３２）とカソード（１１ｂ）に臨んで第２のセパレータ（３）に形成されたカソードガス通路（３１）とを備え、シール部材（１２，１３）は、電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）の間に挟持された第１のシール部材（１２）と、電解質膜（１１）と第２のセパレータ（３）の間に挟持された第２のシール部材（１３）とを備え、第１のシール部材（１２）と第２のシール部材（１３）は、燃料電池（１０）の縦断方向に関して、第１のシール部材（１２）と第２のシール部材（１３）とが重なって配置されない領域では、第１のシール部材（１２）と第２のシール部材（１３）が重なって配置される領域よりも、電解質膜（１１）に対する接触面圧が低くなるように、構成される。
【請求項３】
請求の範囲第２項のシール構造において、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、カソードガス通路（３１）に接続するカソードガス供給マニホールド（４２ａ）とカソードガス排出マニホールド（４２ｂ）とを備え、燃料電池（１０）の縦断方向に関して、第１のシール部材（１２）と第２のシール部材（１３）とが重なって配置されない領域は、カソードガス通路（３１）とカソードガス供給マニホールド（４２ａ）とが接続する第１の接続領域（Ａ１）と、カソードガス通路（３１）とカソードガス排出マニホールド（４２ｂ）とが接続する第２の接続領域（Ａ２）であり、燃料電池（１０）の縦断方向に関して、第１の接続領域（Ａ１）または第２の接続領域（Ａ２）に重なる部位に配置される第１のシール部材（１２）は、電解質膜（１１）に対する接触面圧が他の領域に配置される第１のシール部材（１２）よりも低くなるように、構成される。
【請求項４】
請求の範囲第２項または第３項のシール構造において、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、アノードガス通路（３２）に接続するアノードガス供給マニホールド（４１ａ）とアノードガス排出マニホールド（４１ｂ）とを備え、燃料電池（１０）の縦断方向に関して第１のシール部材（１２）と第２のシール部材（１３）とが重なって配置されない領域は、アノードガス通路（３２）とアノードガス排出マニホールド（４１ｂ）とが接続する第３の接続領域（Ａ３）と、アノードガス通路（３２）とアノードガス供給マニホールド（４１ａ）とが接続する第４の接続領域（Ａ４）であり、燃料電池（１０）の縦断方向に関して、第３の接続領域（Ａ３）または第４の接続領域（Ａ４）に重なる部位に配置される第２のシール部材（１３）は、電解質膜（１１）に対する接触面圧が他の領域に配置される第１のシール部材（１２）よりも低くなるように、構成される。
【請求項５】
請求の範囲第１項のシール構造において、シール部材（１２，１３）は同一面に配置された複数本のシール部材を備え、シール反力が電解質膜（１１）にもたらす変形量が大きい部位は、複数のシール部材のジョイント部（１２ｄ，１３ｄ）である。
【請求項６】
請求の範囲第５項のシール構造において、電極（１１ａ，１１ｂ）は電解質膜（１１）のふたつの面に形成されたアノード（１２）とカソード（１３）を備え、セパレータ（２，３）は、アノード（１１ａ）に相接する第１のセパレータ（２）とカソード（１１ｂ）に相接する第２のセパレータ（３）とを備え、ガス通路（３２，３１）は、アノード（１１ａ）に臨んで第１のセパレータ（２）に形成されたアノードガス通路（３２）とカソード（１１ｂ）に臨んで第２のセパレータ（３）に形成されたカソードガス通路（３１）とを備え、シール部材（１２，１３）は、電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）の間に挟持された第１のシール部材（１２）と、電解質膜（１１）と第２のセパレータ（３）の間に挟持された第２のシール部材（１３）とを備え、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、カソードガス通路（３１）に接続するカソードガス供給マニホールド（４２ａ）とアノードガス排出マニホールド（４２ｂ）、及び電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、アノードガス通路（３２）に接続するアノードガス供給マニホールド（４１ａ）とアノードガス排出マニホールド（４１ｂ）と、を備え、第１のシール部材（１２）はアノードガス通路（３２）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス供給マニホールド（４２ａ）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス排出マニホールド（４２ｂ）の周りに配置されたシール部材と、を含み、ジョイント部（１２ｄ，１２ｅ）は、アノードガス通路（３２）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス供給マニホールド（４２ａ）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス排出マニホールド（４２ｂ）の周りに配置されたシール部材のうちの少なくともふたつのシール部材の接合部で構成される。
【請求項７】
請求の範囲６項シール構造において、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通する冷却水供給マニホールド（４３ａ）と冷却水排出マニホールド（４３ｂ）とをさらに備え、第１のシール部材（１２）は冷却水供給マニホールド（４３ａ）の周りに配置されたシール部材と、冷却水排出マニホールド（４３ｂ）の周りに配置されたシール部材とをさらに含み、ジョイント部（１２ｄ，１３ｄ）は、アノードガス通路（３２）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス供給マニホールド（４２ａ）の周りに配置されたシール部材と、カソードガス排出マニホールド（４２ｂ）の周りに配置されたシール部材と、冷却水供給マニホールド（４３ａ）の周りに配置されたシール部材と、冷却水排出マニホールド（４３ｂ）の周りに配置されたシール部材と、のうちの少なくともふたつのシール部材の接合部で構成される。
【請求項８】
請求の範囲第５項のシール構造において、電極（１１ａ，１１ｂ）は電解質膜（１１）のふたつの面に形成されたアノード（１２）とカソード（１３）を備え、セパレータ（２，３）は、アノード（１１ａ）に相接する第１のセパレータ（２）とカソード（１１ｂ）に相接する第２のセパレータ（３）とを備え、ガス通路（３２，３１）は、アノード（１１ａ）に臨んで第１のセパレータ（２）に形成されたアノードガス通路（３２）とカソード（１１ｂ）に臨んで第２のセパレータ（３）に形成されたカソードガス通路（３１）とを備え、シール部材（１２，１３）は、電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）の間に挟持された第１のシール部材（１２）と、電解質膜（１１）と第２のセパレータ（３）の間に挟持された第２のシール部材（１３）とを備え、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、カソードガス通路（３１）に接続するカソードガス供給マニホールド（４２ａ）とアノードガス排出マニホールド（４２ｂ）、及び電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通して、アノードガス通路（３２）に接続するアノードガス供給マニホールド（４１ａ）とアノードガス排出マニホールド（４１ｂ）と、を備え、第２のシール部材はカソードガス通路（３１）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス供給マニホールド（４１ａ）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス排出マニホールド（４１ｂ）の周りに配置されたシール部材と、を含み、ジョイント部（１２ｄ，１３ｄ）はカソードガス通路（３１）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス供給マニホールド（４１ａ）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス排出マニホールド（４１ｂ）の周りに配置されたシール部材のうちの少なくともふたつのシール部材の接合部で構成される。
【請求項９】
請求の範囲第８項のシール構造において、燃料電池（１０）は電解質膜（１１）と第１のセパレータ（２）と第２のセパレータ（３）とを貫通する冷却水供給マニホールド（４３ａ）と冷却水排出マニホールド（４３ｂ）とをさらに備え、第２のシール部材（１３）は冷却水供給マニホールド（４３ａ）の周りに配置されたシール部材と、冷却水排出マニホールド（４３ｂ）の周りに配置されたシール部材とをさらに含み、ジョイント部（１２ｄ，１３ｄ）はカソードガス通路（３１）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス供給マニホールド（４１ａ）の周りに配置されたシール部材と、アノードガス排出マニホールド（４１ｂ）の周りに配置されたシール部材、冷却水供給マニホールド（４３ａ）の周りに配置されたシール部材と、冷却水排出マニホールド（４３ｂ）の周りに配置されたシール部材と、のうちの少なくともふたつのシール部材の接合部で構成される。
【請求項１０】
請求の範囲第１項から第９項のいずれかのシール構造において、シール部材（１２，１３）は電解質膜（１１）に接する底面の幅を広げることで電解質膜（１１）に対する接触面圧を低下させるように、さらに構成される。
【請求項１１】
請求の範囲第１項から第９項のいずれかのシール構造において、シール部材（１２，１３）はゴム硬度を低下させることで電解質膜（１１）に対する接触面圧を低下させるように、さらに構成される。
【請求項１２】
請求の範囲第１項から第１１項のいずれかのシール構造において、シール部材（１２，１３）はあらかじめ樹脂フィルム（１１ｃ，１１ｄ）を介して電解質膜（１１）に係止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の所属分野
この発明は、燃料電池のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般に膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）と、ＭＥＡの両面に積層された一対のセパレータとを備えている。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一面に形成されたアノードと、電解質膜のもう一面に形成されたカソードとを備える。単体の燃料電池の出力電圧は低電圧であるため、燃料電池は一般に数多くの燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用される。
アノードに臨むセパレータには、水素（Ｈ２）の流路が形成される。水素の流路には水素を多く含むアノードガスが供給される。カソードに臨むセパレータには酸素（Ｏ２）の流路が形成される。酸素の流路には酸素を多く含むカソートガスが供給される。アノードに接した水素（Ｈ２）は、電子（ｅ＋）を放出した後、水素イオン（Ｈ＋）となって電解質膜を透過し、カソードに移動する。放出された電子（ｅ＋）の流れが燃料電池の出力となる。
アノードガス及びカソードガスは、このようにアノード及びカソードに接しつつセパレータの流路を流通する。アノードガスとカソードガスが燃料電池から漏出するのを防止するため、セパレータと電解質膜との間にはシール部材が挟持される。
燃料電池が燃料電池スタックとして積層された状態では、セパレータと電解質膜に挟持されたシール部材は弾性変形しつつ、セパレータと電解質膜に密着している。弾性変形したシール材は反発力をセパレータと電解質膜に及す。以下の説明では、このように弾性変形したシール部材の反発力をシール反力と称する。
電解質膜はセパレータに比べて剛性が低く、シール反力により変形しやすい。しかしながら、電解質膜が変形すると、シール部材のシール性能が低下してしまう。
【発明の開示】
【０００３】
日本国特許庁が２００４年に発行したＪＰ２００４−１６５１２５Ａは、電解質膜のこうした変形を防止するために、電解質膜を樹脂フレームで保持することを提案している。
しかしながら、従来技術においては樹脂フレームを用いることで、燃料電池の厚さが増加し、結果として燃料電池スタックの寸法が大きくなることは避けられない。
この発明の目的は、したがって、燃料電池の厚さを増加させずに、シール部材の好ましいシール性能を確保することである。
以上の目的を達成するために、この発明は、表面に電極を形成した電解質膜と、電極に臨むガス通路を形成したセパレータとを備える燃料電池、とともに用いるシール構造において、電解質膜とセパレータに挟持される弾性のシール部材を備え、シール部材の電解質膜に対する接触面圧を、シール部材のシール反力が電解質膜にもたらす変形量が大きい部位ほど、低下させるように構成している。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
ＦＩＧ．１はこの発明を適用する燃料電池スタックの斜視図である。
ＦＩＧ．２はこの発明による燃料電池のシール構造を説明する、燃料電池の概略分解斜視図である。
ＦＩＧ．３はこの発明によるカソード側のセパレータとシール部材の正面図である。
ＦＩＧ．４はこの発明によるアノード側のセパレータとシール部材の正面図である。
ＦＩＧｓ．５Ａ−５ＤはＦＩＧ．３のＶＡ−ＶＡ矢視図、ＶＣ−ＶＣ矢視図、及び燃料電池の要部斜視図である。
ＦＩＧ．６はアノードガス通路及びカソードガス通路のリブの間隔Ｌと電解質膜の変形量との関係を説明するダイアグラムである。
ＦＩＧ．７はＦＩＧ．２に類似するが、この発明の第２の実施例を示す。
ＦＩＧ．８はこの発明を適用する燃料電池スタックの縦断面図である。
好ましい実施例の説明
ＦＩＧ．１を参照すると、自動車搭載用の燃料電池スタック１００は、積層された数多くの固体高分子型の燃料電池１０を備える。積層された燃料電池１０の両端には一対の集電板２０が積層され、さらにその外側に一対の絶縁板３０が積層される。これらの積層体は一対のエンドプレート４０に挟持される。
ＦＩＧ．８を参照すると、一方のエンドプレート４０と絶縁板３０との間に第２エンドプレート４０Ａと、バネを用いた加圧装置６０が挟持される。燃料電池スタック１００は、燃料電池１０の積層体と各プレート２０，３０，４０，４０Ａの四隅を貫通するテンションボルト５１と、テンションボルト５１の両端に締め付けられたナット５０により一体化される。加圧装置６０はバネの反発力で第２エンドプレート４０Ａを押圧することで、積層された燃料電池１０に圧縮力を常時負荷する。テンションロッド５１を燃料電池１０、集電板２０、及び絶縁板３０の積層体に貫通させずに、積層体の外側に配置し、積層体の横断面より一回り大きく形成した両端のエンドプレート４０にテンションロッド５１を貫通させてナット５０で締め付けることでも燃料電池スタック１００の一体化は可能である。
燃料電池１０は１ボルト（Ｖ）程度の起電圧を有する。集電板２０は、緻密質カーボンのようなガス不透過性の導電性部材で構成される。
再びＦＩＧ．１を参照すると、集電板２０は上辺に出力端子２０ａを備える。燃料電池スタック１の発電電力は、出力端子２０ａによって取り出される。絶縁板３０は、ゴムのような絶縁性の部材で構成される。エンドプレート４０と第２エンドプレート４０Ａは、鋼板のような剛性を備える金属材料で構成される。テンションロッド５１は、鋼のような剛性を備える金属材料で構成される。燃料電池１０同士の電気短絡を防止するために、テンションロッド５１の表面には絶縁処理が施される。
一方のエンドプレート４０には、燃料電池スタック１００の縦断方向にそれぞれ形成された、アノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂがそれぞれ開口する。
図の左下側のエンドプレート４０を正面から眺めた状態で、アノードガス排出マニホールド４１ｂはエンドプレート４０の上端の左寄り部分に形成され、カソードガス供給マニホールド４２ａはエンドプレート４０の上端の右寄り部分に形成される。カソードガス排出マニホールド４２ｂはエンドプレート４０の下端の左寄り部分に形成され、アノードガス供給マニホールド４１ａはエンドプレート４０の下端の右寄り部分に形成される。さらに、冷却水供給マニホールド４３ａはエンドプレート４０の左端の下部に形成され、冷却水排出マニホールド４３ｂはエンドプレート４０の右端の上部に形成される。
ＦＩＧ．２を参照すると、燃料電池１０は、ＭＥＡ１と、ＭＥＡ１を挟持する第１のセパレータ２と第２のセパレータ３とを備える。
ＭＥＡ１は、電解質膜１１と、アノード１１ａと、カソード１１ｂと、帯状の樹脂フィルム１１ｃ，１１ｄと、シール部材１２、１３とを備える。アノード１１ａ、樹脂フィルム１１ｃ、及びシール部材１２は、第１のセパレータ２に面した電解質膜１１の一方の面に配置される。カソード１１ｂ、樹脂フィルム１１ｄ、及びシール部材１３は第２のセパレータ３に面した電解質膜１１のもう一方の面に配置される。
電解質膜１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜で構成される。電解質膜１１は湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
第１のセパレータ２は、シール部材１２を介してアノード１１ａに接する。第２のセパレータ３はシール部材１３を介してカソード１１ｂに接する。第１のセパレータ２と第２のセパレータ３は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する金属薄板で構成される。燃料電池スタック１００の横断方向のセパレータ２と３の寸法は電解質膜１１の寸法と略等しい。
電解質膜１１及びセパレータ２，３を、前述のアノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂがそれぞれ貫通する。前述のエンドプレート４０に形成された各マニホールドの開口部は円形であるが、電解質膜１１及びセパレータ２，３を貫通して形成されるこれらのマニホールドの横断面は矩形である。
アノード１１ａは電解質膜１１の一方の面に形成される。アノード１１ａは、アノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂに囲まれた領域に位置するよう、電解質膜１１よりも小さな寸法に形成される。
アノード１１ａは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層を備える。ガス拡散層は、充分なガス拡散性と導電性を有する材料、例えば、炭素繊維からなる糸を織成したカーボンクロス、で構成される。撥水層はポリエチレンフルオロエチレンと炭素材とを含む。触媒層は白金を担持したカーボンブラック粒子で構成される。
カソード１１ｂは電解質膜１１のもう一方の面に形成される。カソード１１ｂの形状と寸法及び構成はアノード１１ａに略等しい。
ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｄを参照すると、電解質膜１１には、アノード１１ａを囲むように樹脂フィルム１１ｃを介してシール部材１２が取り付けられる。同様に電解質膜１１には、カソード１１ｂを囲むように樹脂フィルム１１ｄを介してシール部材１３が取り付けられる。
シール部材１２と１３はシリコンゴムのような弾性材料で構成される。樹脂フィルム１１ｃと１１ｄは、シール部材１２と１３を電解質膜１１の所定位置に係止する役割をもつ。樹脂フィルム１１ｃと１１ｄはまた電解質膜１１の外周部を補強する役割ももつ。樹脂フィルム１１ｃと１１ｄはさらに、高分子膜で構成された電解質膜１１とシール部材１２と１３との直接の接触を防止して、これらの部材間の化学反応による劣化を防止する役割ももつ。樹脂フィルム１１ｃと１１ｄは、あらかじめシール部材１２と１３と熱処理により一体化され、裏面に塗布した粘着剤により電解質膜１１に貼付けられる。
ＦＩＧ．４を参照すると、アノード１１ａに臨む第１のセパレータ２には、アノード１１ａに面したアノードガス通路３２が形成される。アノードガス通路３２は数多くのリブ２Ａに画成されたサーペンタイン流路の集合体として構成される。アノードガス通路３２の両端はアノードガス供給マニホールド４１ａとアノードガス排出マニホールド４１ｂに接続される。
樹脂フィルム１１ｃとシール部材１２は、アノードガス通路３２の形成領域全体を外部から遮断するとともに、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂを囲むように配置され、これらのマニホールドを密閉状態に保つ。一方、樹脂フィルム１１ｃとシール部材１２は、アノードガス通路３２とアノードガス供給マニホールド４１ａ及びアノードガス排出マニホールド４１ｂとの連通を妨げないように構成される。
このために、樹脂フィルム１１ｃとシール部材１２は、アノードガス通路３２の両端と、アノードガス供給マニホールド４１ａ及びアノードガス排出マニホールド４１ｂとの接続部に相当する図の領域Ａ３及びＡ４には配置されない。
再びＦＩＧ．２を参照すると、第１のセパレータ２のアノードガス通路３２と反対側の面には、冷却水通路２２が形成される。冷却水通路２２は数多くのリブに画成されたサーペンタイン流路の集合体として構成される。冷却水通路２２の両端は冷却水供給マニホールド４３ａと冷却水排出マニホールド４３ｂに接続される。
第１のセパレータ２は隣接する燃料電池１０の第２のセパレータ３に相接する。第１のセパレータ２と隣接する燃料電池１０の第２のセパレータ３との間には、冷却水通路２２の形成領域全体と、アノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂとをそれぞれ密閉するためのシール部材１６が挟持される。一方、シール部材１６は、冷却水通路２２と冷却水供給マニホールド４３ａ及び冷却水排出マニホールド４３ｂとの間の連通を妨げないよう、これらの間には配置されない。
ＦＩＧ．３を参照すると、カソード１１ｂに臨む第２のセパレータ３には、カソード１１ｂに臨むカソードガス通路３１が形成される。カソードガス通路３１は数多くのリブ３Ａに画成されたサーペンタイン流路の集合体として構成される。カソードガス通路３１の両端はカソードガス供給マニホールド４２ａとカソードガス排出マニホールド４２ｂに接続される。
樹脂フィルム１１ｄとシール部材１３は、カソードガス通路３１の形成領域全体を外部から遮断するとともに、アノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂをそれぞれ囲むように配置され、これらのマニホールドを密閉状態に保つ。一方、樹脂フィルム１１ｄとシール部材１３は、カソードガス通路３１とカソードガス供給マニホールド４２ａ及びカソードガス排出マニホールド４２ｂとの連通を妨げないように構成される。そのため、樹脂フィルム１１ｄとシール部材１３は、カソードガス通路３１の両端とカソードガス供給マニホールド４２ａ及びカソードガス排出マニホールド４２ｂとの接続部に相当する図の領域Ａ１及びＡ２には配置されない。
シール部材１３は、幅広シール部１３ａと、通常シール部１３ｂとからなる。幅広シール部１３ａは領域Ａ３とＡ４の裏面に配置されるシール部材１３に適用され、通常シール部１３ｂはその他の部位に配置されるシール部材１３に適用される。
再びＦＩＧ．４を参照すると、シール部材１２は、幅広シール部１２ａと、通常シール部１２ｂとからなる。ＦＩＧ．５Ｂに示すように、幅広シール部１２ａは領域Ａ１及びＡ２の裏面に配置されるシール部材１２に適用され、通常シール部１２ｂはＦＩＧ．５Ｄに示すように、その他の部位に配置されるシール部材１２に適用される。
ＦＩＧｓ．５Ａ−５Ｄを参照すると、幅広シール部１２ａ，１３ａは、通常シール部１２ｂ，１３ｂと比べて樹脂フィルム１１ｃと１１ｄに接する基部の幅が広い。
領域Ａ１及びＡ２の裏面に幅広シール部１２ａを配置し、その他の部位に通常シール部１２ｂを配置することは、すなわち電解質１１の裏面にシール部材１３が配置される部位に通常シール部１２ｂを適用し、電解質１１の裏面にシール部材１３が配置されない部位に幅広シール部１２ａを適用することを意味する。
同様に、領域Ａ３とＡ４の裏面に幅広シール部１３ａを配置し、その他の部位に通常シール部１３ｂを配置することは、すなわち電解質１１の裏面にシール部材１２が配置される部位に通常シール部１３ｂを適用し、電解質１１の裏面にシール部材１２が配置されない部位に幅広シール部１３ａを適用することを意味する。
ここで、幅広シール部１２ａ，１３ａの適用は、その部分におけるシール部材１２，１３と電解質膜１１との接触面圧を低減する作用をもたらす。
燃料電池１０を燃料電池スタック１００に積層した状態では、ＦＩＧ．５Ａにおいて、第２のセパレータ３のカソードガス通路３１のリブ３Ａがカソード１１ｂを変形させつつ、ＦＩＧ．５Ｂに示すように樹脂フィルム１１ｃに当接する。したがって、積層状態では、電解質膜１１の幅広シール部１２ａの裏面はリブ３Ａに支持され、電解質膜１１の幅広シール部１３ｂの裏面も同様にアノードガス通路３２のリブ２Ａに支持される。ＦＩＧ．５Ｂに示すようにリブ３Ａ（２Ａ）の間隔をＬとする。
ＦＩＧ．６を参照すると、リブ２Ａ（３Ａ）の間隔Ｌが大きいほど、シール部材１２（１３）のシール反力による電解質膜１１の変形量も増大する。一方、同じ条件において、この部分、すなわち領域Ａ１とＡ２の裏側に配置されるシール部材１２に幅広シール部１２ａを適用すると、シール部材１２と電解質膜１１との接触面圧が小さくなるので、シール部材１２に通常シール部１２ｂ適用した場合と比べて、シール部材１２が電解質膜１１に及ぼすシール反力による電解質膜１１の変形量を図の矢印に示すように減少させることが可能である。シール部材１３についても、同様に領域Ａ３とＡ４の裏側のシール部材１２に幅広シール部１３ａを適用すこるとで、シール部材１３と電解質膜１１との接触面圧が小さくなるので、シール部材１３が電解質膜１１に及ぼすシール反力による電解質膜１１の変形量を小さくすることが可能である。
したがって、この発明により、燃料電池１０の厚さを増加させずに、電解質膜１１の変形を抑制することができ、シール部材１２，１３の好ましいシール性能が確保される。
次にＦＩＧ．７を参照して、この発明の第２の実施例を説明する。
この実施例はシール部材１２と１３の構成が第１の実施例と異なる。燃料電池１０及び燃料電池スタック１００の他の構成は第１の実施例と同一である。
シール部材１２は幅広シール部１２ｄと通常シール部１２ｅからなる。幅広シール部１２ｄはシール部材１２のジョイント部、すなわち複数のシール部材１２が集まる箇所に適用する。具体的には、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂをそれぞれ囲むシール部材１２と、アノードガス通路３２の形成領域全体を囲むシール部材１２とのジョイント部である。
シール部材１３は幅広シール部１３ｄと通常シール部１３ｅからなる。幅広シール部１３ｄはシール部材１３のジョイント部、すなわち複数のシール部材１３が集まる箇所にに適用する。具体的には、アノードガス供給マニホールド４１ａ、アノードガス排出マニホールド４１ｂ、冷却水供給マニホールド４３ａ、及び冷却水排出マニホールド４３ｂをそれぞれ囲むシール部材１３と、アノードガス通路３２の形成領域全体を囲むシール部材１３とのジョイント部である。
幅広シール部１２ｄ，１３ｄの横断面の形状は、第１の実施例の幅広シール部１２ａ，１３ａと同一である。通常シール部１２ｅ，１３ｅの横断面の形状は、第１の実施例の通常シール部１２ｂ，１３ｂと同一である。
燃料電池スタック１００を組み立てた状態では、燃料電池１０に圧縮力が作用し、圧縮されたシール部材１２と１３のシール反力が電解質膜１１に作用する。
シール部材１２のジョイント部やシール部材１３のジョイント部が電解質膜１１に当接する場所では、シール部材１２や１３のその他の部分が電解質膜１１に当接する場所とくらべて、より大きな変型力が電解質膜１１に作用する。その結果、電解質膜１１のジョイント部との当接部が大きく変形すると、シール部材１２や１３のシール能力が低下してしまう。
この実施例では、こうしたシール部材１２，１３のジョイント部に幅広シール部１２ｄ，１３ｄを適用することで、シール部材１２，１３と電解質膜１１との接触面積を増やす。その結果、シール反力が電解質膜１１に及ぼす単位接触面積当たりの変形圧力が低下するので、交差部における電解質膜１１の変形量の増大を防止して、シール部材１２，１３のシール性能を好ましい状態に維持することができる。
２００５年１２月２２日を出願日とする日本国における特願２００４−３６９７９０号、の内容をここに引用により合体する。
以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさよざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
例えば、本発明は自動車用の燃料電池スタック１００に限定されず、一般的ないかなる燃料電池スタックにも可能である。
集電板２０はガス不透過な導電性部材で構成する必要があるが、構成材料は緻密質カーボンに限定されず、例えば銅板で構成することも可能である。
絶縁板３０は絶縁性部材で構成する必要があるが、ゴムに限らず樹脂で構成することも可能である。
エンドプレート４０と第２エンドプレート４０Ａは剛性を要するが、その材料は金属材料に限定されない。
テンションロッド５０は剛性を要するが、その材料は金属材料に限定されない。
ＭＥＡ１についても様々な構成が可能である。
すなわち、電解質膜１１は、プロトン伝導性のイオン交換膜であって湿潤状態で良好な電気伝導性を有する必要があるが、フッ素系樹脂に限定されず、他の固体高分子材料で構成することも可能である。
アノード１１ａとカソード１１ｂのガス拡散層は、充分なガス拡散性及び導電性を有する必要があるが、カーボンクロスに限定されず、カーボンペーパーやカーボンフェルトで構成することも可能である。
アノード１１ａ及びカソード１１ｂの触媒層は、ガス拡散層に担持される必要はなく、電解質膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を担持することで、触媒層を形成することも可能である。この場合には、ガス拡散層の表面に撥水層を積層したガス拡散層接合体を別に形成しておき、電解質膜１１の表面に担持されたアノード１１ａとカソード１１ｂと、最終的に一体化することでＭＥＡ１を構成する。
セパレータ２と３は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する限り、金属薄板で構成する必要はなく、例えばプレス加工したカーボン材料で構成することが可能である。
シール部材１２、１３は、シリコンゴムに限らず、エチレンープロピレン−ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴムまたはフッ素ゴムで構成しても良い。
第１の実施例における領域Ａ１−Ａ４の裏面に配置するシール部材１２，１３に広幅シール部１２ａ，１３ａを適用する代わりに、この部分のゴム硬度を他の部分のシール部材１２，１３より低くすることも可能である。ゴム硬度の低いシール部材は、シール反力が小さいので、電解質膜１１の変形量を小さくすることができる。したがって、シール部材１２，１３をこのように構成することで、シール部材１２，１３の好ましいシール性能の維持に燗して第１の実施例と同等の好ましい効果が得られる。第２の実施例についても、同様に広幅シール部１２ｄ，１３ｄに代えて、ゴム硬度の低いシール部材を適用することができる。
適用産業分野
以上のようにこの発明によれば、燃料電池の厚さを増やすことなく、シール反力による電解質膜の変形を抑えて、シール部材の好ましいシール性能を確保することができる。したがって、燃料電池スタックの大型化させずに、好ましいシール性能を得ることができる。本発明は、したがって、燃料電池スタックの搭載スペースの限られた自動車に搭載する燃料電池スタックへの適用において、特に好ましい効果が得られる。
この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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