(57)【要約】【課題】  ガスケットの燃料電池スタック構成部品へのはめ込みを必要としない燃料電池スタック構成部品用ガスケットの提供。【解決手段】（１）反応ガスマニホールドが貫通して設けられた燃料電池スタック構成部品２１と反応ガスマニホールド３０、３１との間に設けられ、燃料電池スタック構成部品２１とセル積層方向に重ならない形状に形成された燃料電池スタック構成部品用ガスケット１。（２）燃料電池スタック構成部品がインシュレータ１である。（３）ガスケットの材料がフッ素ゴムである。（４）複数のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットである。（５）単一のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであり、該単一のガスケットが複数の孔２を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスマニホールドが貫通して設けられた燃料電池スタック構成部品と反応ガスマニホールドとの間に設けられ、前記燃料電池スタック構成部品とセル積層方向に重ならない形状に形成された燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【請求項２】
前記燃料電池スタック構成部品がインシュレータである請求項１記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【請求項３】
前記ガスケットの材料がフッ素ゴムである請求項１記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【請求項４】
複数のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットである請求項１記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【請求項５】
単一のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであり、該単一のガスケットが複数の孔を有する請求項１記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタック構成部品用ガスケットに関し、とくに燃料電池スタック構成部品であるインシュレータをガスマニホールドからシールするガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）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、燃料極）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、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、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、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。スタックにはセル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドが設けられる。燃料ガスマニホールドを通してセルの燃料ガス流路に燃料ガスが供給、排出され、酸化ガスマニホールドを通してセルの酸化ガス流路に酸化ガスが供給、排出される。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、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）から水を生成するつぎの反応が行われ、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
【０００３】
発電中に電解質膜から溶出するフッ素、硫黄により生成水にはフっ酸、硫酸が含まれるので、燃料電池スタック構成部品の、生成水を含むガス流れに接触する部分は、ガスとの接触を遮断されて耐久性を向上させる必要がある。とくに、燃料電池スタック構成部品がインシュレータである場合は、インシュレータ材料がガラス成分を含みフっ酸、硫酸に対する耐久性が低いので、ガスマニホールドを通るガスに含まれる生成水から遮断されることが望まれる。従来は、インシュレータのガスマニホールドを構成する孔にはガスケットが設けられれおらず、インシュレータのガスマニホールド内面はそこを通るガスに接触する。
特開２００２−２６０６９２号公報は、燃料電池スタック構成部品がセパレータである場合において、セパレータと隣接するセパレータとの間にゴムガスケットを配置し、このゴムガスケットを断面「コ」字型に形成してセパレータの端部を抱くようにセパレータに非接着で装着するものを開示している。
【０００４】
しかし、特開２００２−２６０６９２号公報のガスケットのセパレータへの装着方法をガスマニホールドに適用すると、セパレータのガスマニホールドに面する縁部をガスマニホールドを流れるガスおよび生成水から遮断することはできるが、ガスケットをセパレータにはめ込む（セパレータの縁部をガスケットの断面「コ」字の内に入れるようにはめ込む）工程が必要であり、生産性が悪いという問題を生じる。また、ガスケットの一部がセパレータとセル積層方向に重なり、セパレータの他の部分の、隣接部材との密着性を低下させるという問題も生じる。
特開２００２−２６０６９２号公報のガスケットをインシュレータのガスマニホールドからのシールに適用しても同じ問題が生じる。
【特許文献１】特開２００２−２６０６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来のガスケットを燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ）のガス流路（たとえば、ガスマニホールド）からのシールに用いた場合には、ガスケットのはめ込み工程が必要となり、燃料電池スタックの生産性が低下するという問題である。
本発明の目的は、ガスケットの燃料電池スタック構成部品へのはめ込みを必要としない、したがって燃料電池スタックの生産性を良好にすることができる、燃料電池スタック構成部品用ガスケット（たとえば、インシュレータをガスマニホールドからシールするガスケット）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  反応ガスマニホールドが貫通して設けられた燃料電池スタック構成部品と反応ガスマニホールドとの間に設けられ、前記燃料電池スタック構成部品とセル積層方向に重ならない形状に形成された燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
（２）  前記燃料電池スタック構成部品がインシュレータである（１）記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
（３）  前記ガスケットの材料がフッ素ゴムである（１）記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
（４）  複数のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットである（１）記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
（５）  単一のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであり、該単一のガスケットが複数の孔を有する（１）記載の燃料電池スタック構成部品用ガスケット。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池スタック構成部品用ガスケットによれば、燃料電池スタック構成部品用ガスケットが、燃料電池スタック構成部品と反応ガスマニホールドとの間に設けられ、燃料電池スタック構成部品とセル積層方向に重ならない形状に形成されているので、燃料電池スタック構成部品のガスマニホールド孔内にガスケットを接着せずに置くだけでガスケットをスタックに配置でき、燃料電池スタック構成部品へのガスケットのはめ込みが必要でなく、燃料電池スタックの生産性を良好にすることができる。また、ガスケットが燃料電池スタック構成部品にセル積層方向に重なっていないので、スタックの積層方向の長さを短縮できる。
上記（２）の燃料電池スタック構成部品用ガスケットによれば、燃料電池スタック構成部品がインシュレータであるので、インシュレータをガスマニホールドから遮断でき、インシュレータを酸性の生成水から保護でき、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
上記（３）の燃料電池スタック構成部品用ガスケットによれば、ガスケットの材料がフッ素ゴムであるので、生成水に含まれるフっ酸、硫酸に対しても耐久性が良好である。
上記（４）の燃料電池スタック構成部品用ガスケットによれば、複数のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットからなるので、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド（、冷却水マニホールド）に対して別々にガスケットを設ける場合に比べガスケット数が少なくなり、かつ配置作業も単純化される。
上記（５）の燃料電池スタック構成部品用ガスケットによれば、単一のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであり、該単一のガスケットが複数の孔を有するので、流れの整流作用が向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットを図１〜図７を参照して説明する。
本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットが装着される燃料電池は、たとえば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。
【０００９】
図５〜図７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。積層方向は任意である。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を有する電極（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を有する電極（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、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）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（電気絶縁体）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。
【００１０】
セパレータ１８は、（イ）カーボンセパレータ、または（ロ）金属セパレータ、または（ハ）金属セパレータと樹脂フレームの組み合わせ、または（ニ）導電性を付与された樹脂セパレータ、の何れか、または（ホ）それらの組み合わせ、からなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。燃料電池のうちガス流路２７、２８とＭＥＡの両方が存在する領域が、セル１９の発電領域を構成する。
セル１９には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成される。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に接続しており、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に接続しており、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に接続しており、冷媒流路２６に冷媒を供給・排出する。
【００１１】
セル１９のＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータ１８同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されている。接着剤３３は膜１１とその両側のセパレータ１８との間もシール接着している。セル１９同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、ガスケット（ゴムガスケット）３２によりシールされている。各セルのシール接着されたセパレータ１８同士は、分離はできないが、ガスケット３２を挟んで対向する隣接するセルのセパレータ１８同士は互いに分離自在である。
【００１２】
燃料電池スタック２３のセル積層方向の一端側には、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）と、冷媒（冷却水）の供給、排出配管が接続され、それぞれ、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）マニホールド３０、３１および冷媒マニホールド２９に接続している。
燃料ガス、酸化ガス、冷却水は、供給配管から入側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に入り、各セルを通過して出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に流れ、出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９から排出配管に流出する。
【００１３】
燃料電池スタック両端のインシュレータ２１のうち燃料ガス、酸化ガス、冷却水が燃料電池スタックに流入、流出する側のインシュレータ２１には、セル１９の入側、出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に連通する燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が、インシュレータ２１を貫通して、設けられている。
従来は、インシュレータのマニホールド孔には、マニホールド孔内面をマニホールド孔内ガス流路から遮断するシール材やガスケットは設けられていない。
インシュレータ２１は、通常、ガラス成分を樹脂で固めたものからなり、フッ酸や硫酸で浸食されやすい。
【００１４】
これに対し、本発明では、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）が貫通して設けられた燃料電池スタック構成部品と反応ガスマニホールド３０、３１との間には、ガスケット１が設けられている。燃料電池スタック構成部品がインシュレータ２１である場合、インシュレータ２１と反応ガスマニホールド３０、３１との間には、ガスケット１が設けられている。ガスケット１は、インシュレータ２１と冷媒マニホールド２９との間にも設けられてもよい。ガスケット１は、インシュレータ２１のマニホールド孔内面と、マニホールド２９、３０、３１内の流路との間に、設けられる。
【００１５】
ガスケット１は、燃料電池スタック両端のインシュレータ２１のうち燃料ガス、酸化ガス、冷却水が燃料電池スタックに流入、流出する側のインシュレータ２１に設けられており、それと反対側のインシュレータにはマニホールド２９、３０、３１もガスケット１も設けられない。
ガスケット１は、燃料電池スタック構成部品であるインシュレータ２１とセル積層方向に重ならない断面形状に形成される。ガスケット１は、インシュレータ２１のマニホールド縁部に被さらない断面形状を有する。
【００１６】
インシュレータ２１のマニホールド２９、３０、３１にガスケット１を設ける場合、インシュレータ２１のマニホールド２９、３０、３１の孔内面のサイズＳ１をマニホールド２９、３０、３１の流路のサイズＳ２（インシュレータ２１のセル積層方向両側にある部材の流路のサイズＳ２と等しい）よりガスケット断面のセル積層方向と直交する方向の寸法Ｓ３だけ大きくしておき、インシュレータ２１のマニホールド２９、３０、３１の孔内面とマニホールド２９、３０、３１の流路との間に配置する。
ガスケット１の自由状態でのセル積層方向寸法Ｈ１は、ガスケット１をセル積層方向に締め付ける前の自由状態で、インシュレータ２１の厚みＨ２より大としておき、スタック締結荷重がガスケット１にかかった時には、積層方向で隣接するターミナル２０およびエンドプレート２２によって、ガスケット１がインシュレータ２１と同じ厚みに圧縮され、ガスケット１とそのセル積層方向の両側の部品（ターミナル２０およびエンドプレート２２）との間をシールし、インシュレータ２１のマニホールド孔内面にガスが流れないようにする。
ガスケット１は、それが設けられるマニホールドの孔内面の全周に沿って設けられ、マニホールドの孔内面の全周を、そのマニホールドを流れる流体から遮断（隔離）する。
【００１７】
ガスケット１は弾性材により形成することが望ましい。
ガスケット１の材料は、ゴムまたは樹脂で、ゴムの場合はたとえばフッ素ゴムである。フッ素ゴムはフッ酸、硫酸に対して耐久性を有する。ただし、ガスケット１の材料は、フッ素ゴムに限るものではなく、樹脂、樹脂ゴム（たとえば、シリコーンゴム等）などであってもよい。
【００１８】
ガスケット１は、複数のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであってもよい。たとえば、ガスケット１は、図３に示すように、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９のうちの２以上のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットで、その２以上のマニホールドに対して連続して延びたガスケットであってもよい。
あるいは、ガスケット１は、単一のマニホールドに対して設けられた単一のガスケットであってもよい。たとえば、ガスケット１は、図２に示すように、燃料ガスマニホールド３０に対して設けられた単一のガスケットからなり、該単一のガスケットが複数の孔２を有していてもよい。単一のガスケットを複数の孔２に仕切るのは、ガスを整流するためである。
【００１９】
ガスケット１の断面形状は、図１に示すように、中央にインシュレータ２１の厚みより大で自由状態でインシュレータ２１の表面よりも突出するリップ３を有し、その両側にインシュレータ２１の厚みとほぼ同じ厚みの平坦部４、５を有する形状であってもよい。リップ３を有することにより、シールがより完全なものとなる。
ガスケット１の断面形状は図１の形状に限定されるものではない。ガスケット１の断面形状は、たとえば、図４に示すような断面中実円形でもよく、その場合は、ガスケット１はＯリングとなる。
また、上記の例では、燃料電池スタック構成部品がインシュレータ２１の場合を示したが、燃料電池スタック構成部品はインシュレータ２１以外の部品であってもよく、たとえば、ターミナル２０や、セルのセパレータ１８であってもよい。
【００２０】
つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
燃料電池運転中に酸化ガス流路２８には生成水が生成し、一部は膜１１を通して燃料ガス流路２７に入り、酸化ガス流路２８、燃料ガス流路２７から、酸化ガスマニホールド３１、燃料ガスマニホールド３０を通って排出管から排出される。生成水の中には、膜１１から溶出したフッ素、硫黄によってできるフッ酸、硫酸が存在し、生成水は、ｐＨ２程度の強い酸性を示す。
本発明では、燃料電池スタック構成部品のマニホールドの孔内面にガスケット１を設けたので、燃料電池スタック構成部品を酸性生成水から保護でき、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【００２１】
燃料電池スタック構成部品用ガスケット１が、燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ２１）と反応ガスマニホールド３０、３１との間に設けられ、燃料電池スタック構成部品２１とセル積層方向に重ならない形状に形成されているので、燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ２１）のガスマニホールド孔内にガスケット１を接着せずに置くだけでガスケット１をスタック２３に配置でき、燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ２１）へのガスケット１のはめ込みが必要でなく、燃料電池スタック２３の生産性を良好にすることができる。
また、ガスケット１が燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ２１）にセル積層方向に重なっていないので、燃料電池スタック構成部品（たとえば、インシュレータ２１）の、隣接する部品（ターミナル２０、エンドプレート２２）との隙間を小さくできることによって、小さくなった隙間の分だけスタック２３の積層方向の長さを短くすることができる。
【００２２】
燃料電池スタック構成部品がインシュレータ２１の場合、インシュレータ２１がもしも直接この酸性生成水に接触し続けると、インシュレータ２１は浸食され、燃料電池の耐久性は長くない（たとえば、３年）。
本発明では、インシュレータ２１の酸化ガスマニホールド３１、燃料ガスマニホールド３０（、冷媒マニホールド２９を含めてもよい）の内面に沿って、ガスケット１を設けたので、インシュレータ２１は酸性生成水から保護され、耐久性が改善される。とくに、出側酸化ガスマニホールドで効果がある。
ガスケット１の材料がフッ素ゴムの場合は、生成水に含まれるフっ酸、硫酸に対しても耐久性が良好である。
【００２３】
ガスケット１が、複数のマニホールド（２９、）３０、３１に対して設けられた単一のガスケットからなる場合、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド（、冷却水マニホールド）に対して別々にガスケットを設ける場合に比べガスケット数が少なくなり、かつ配置作業も単純化される。
また、ガスケット１が、単一のマニホールド（たとえば、３１）に対して設けられた単一のガスケットであり、該単一のガスケットが複数の孔２を有する場合、流れの整流作用が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットとその近傍の拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットとその近傍の、単一のマニホールドに単一のガスケットが設けられる場合の、正面図である。
【図３】本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットとその近傍の、複数のマニホールドに単一のガスケットが設けられる場合の、正面図である。図１のうちセルの概略正面図である。
【図４】ガスケットがＯリングからなる場合の、燃料電池スタック構成部品用ガスケットとその近傍の拡大断面図である。
【図５】本発明のガスケットが装着される燃料電池の側面図である。
【図６】図５の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図７】図５の燃料電池のセルの正面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ガスケット
２  孔
３  リップ
４、５  平坦部
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
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（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド（冷却水マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  ガスケット
３３  接着剤（接着剤層）
【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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