(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極複合体を、その厚さ方向一側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第一ガスケットと、厚さ方向他側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第二ガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ガスケットは、前記膜電極複合体と密接される第一シール突条を有し、前記第二ガスケットは、前記第一シール突条の延長形状と対応する延長形状をなして前記膜電極複合体と密接される複数の第二シール突条を有し、この第二シール突条は前記膜電極複合体に対する前記第一シール突条の密接幅より小さいピッチで互いに平行に並んで形成されたことを特徴とする燃料電池の密封構造。
【請求項２】
第二シール突条が、第一シール突条と略同形同大の延長形状を有する中央のシール突条と、その両側にそれぞれ１本以上形成された他のシール突条とからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において、膜電極複合体とその両側に配置されたセパレータとの間を密封するための密封構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高分子電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数積層したスタックとなっている。そして、酸化ガス（酸素）が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層に供給され、燃料ガス（水素）が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。
【０００３】
この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、カソード面から排出される水や余剰の酸化ガス、冷媒などをシールする必要があり、そのためのガスケットが各燃料電池セルに設けられている。ガスケットは、ゴム状弾性材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられ、膜電極複合体の表面に密接されるものがよく知られている。
【０００４】
図９は、従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示す部分断面図で、この図９において、参照符号１１０は高分子電解質膜（プロトン膜）１１１と、その両側に積層状態に設けた触媒電極層１１２及びガス拡散層（ＧＤＬ）１１３を備えた膜電極複合体（ＭＥＡ）であり、この膜電極複合体１１０の両側にそれぞれセパレータ１２０が重ねられて、燃料電池セル１００が構成される。
【０００５】
膜電極複合体１１０において、高分子電解質膜１１１の周縁は、触媒電極層１１２及びガス拡散層１１３の周縁から張り出しており、この張り出し部１１１ａには、その両側のセパレータ１２０に一体的に設けられたガスケット１３０が密接されている。ガスケット１３０は、ゴム状弾性材料からなるものであって、所要の面圧を得るために、シール突条１３１が形成されている。
【０００６】
ところが、膜電極複合体１１０における高分子電解質膜１１１は、薄肉で柔軟であるため、多数の燃料電池セル１００を積層して締め付け、スタックとして組み立てた状態では、高分子電解質膜１１１（張り出し部１１１ａ）の両側のガスケット１３０，１３０に、例え僅かでも組み付け精度によるオフセット（ずれ）があると、シール突条１３１による面圧極大部のずれδによって、所要の密封面圧を確保できなくなるばかりか、高分子電解質膜１１１が大きな曲げモーメントを受けて破損するおそれがある。
【０００７】
そこで、このようなオフセットによる高分子電解質膜１１１の曲げ変形や破損を防止する方法として、図１０に、他の従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示すように、シール突条１３１を有するガスケット１３０と、フラットなシール面１４１が形成されたガスケット１４０とで高分子電解質膜１１１を挟み込むようにすることが知られている（下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７６８２０号公報
【０００８】
ところが、この場合は、シール突条１３１によるシール面は所要の面圧が確保できるものの、シール面１４１がフラットなガスケット１４０側ではシール突条１３１側に比較して面圧が低下するので、所要のシール性が得られなくなってしまうといった問題がある。したがって、このようなシール性の低下を補うため、図１１に、さらに他の従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示すように、シール突条１５１とフラットシール面１５２を有するガスケット１５０を両側のセパレータ１２０に互いに対称に設けて、シール突条１５１とフラットシール面１５２による高分子電解質膜１１１の挟み込みを幅方向２箇所で行うようにすることも考えられるが、この場合はガスケット１５０の幅が大きくなってしまう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、燃料電池の密封構造において、膜電極複合体の両側のガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、所要のシール面圧を確保すると共に、膜電極複合体への曲げモーメントを抑制可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造は、膜電極複合体を、その厚さ方向一側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第一ガスケットと、厚さ方向他側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第二ガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ガスケットは、前記膜電極複合体と密接される第一シール突条を有し、前記第二ガスケットは、前記第一シール突条の延長形状と対応する延長形状をなして前記膜電極複合体と密接される複数の第二シール突条を有し、この第二シール突条は前記膜電極複合体に対する前記第一シール突条の密接幅より小さいピッチで互いに平行に並んで形成されたものである。
【００１１】
請求項１の構成によれば、第一シール突条が、必ず１つ以上の第二シール突条との間で膜電極複合体を挟み込むことになり、すなわち膜電極複合体に対する第一シール突条の密接領域が、１つ以上の第二シール突条と対向することになるので、第一ガスケットと第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、膜電極複合体に大きな曲げモーメントが作用しない。また、第二ガスケットに、第二シール突条によって局部的に高い面圧を確保することができる。
【００１２】
請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、第二シール突条が、第一シール突条と略同形同大の延長形状を有する中央のシール突条と、その両側にそれぞれ１本以上形成された他のシール突条とからなるものである。
【００１３】
請求項２の構成によれば、第一ガスケットと第二ガスケットが正規の位置決め状態で組み付けられた場合は、第一ガスケットにおける第一シール突条が、第二ガスケットにおける中央のシール突条と対向し、第一ガスケットと第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがある場合は、オフセットの方向によって、第一シール突条が、前記中央のシール突条より内周側又は外周側のシール突条と対向し、又は複数のシール突条に跨って対向する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１又は２の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、膜電極複合体の挟み込みが、第一ガスケットにおける第一シール突条と、第二ガスケットにおける複数の第二シール突条との間で行われるので、第二ガスケットのシール面をフラットにした場合のように面圧が分散されることがなく、十分な密封性が確保される。またこのためガスケットの幅を大きくする必要もなく、しかも第一及び第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、膜電極複合体への曲げモーメントが抑制されるので、膜電極複合体の大きな曲げ変形や破損を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造を、図面を参照しながら説明する。まず図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。
【００１６】
図１において、参照符号１０は高分子電解質膜（プロトン膜）１１と、その両側に積層状態に設けた触媒電極層１２及びガス拡散層（ＧＤＬ）１３を備えた膜電極複合体（ＭＥＡ）であり、この膜電極複合体１０の両側にそれぞれセパレータ２０Ａ，２０Ｂが重ねられて、燃料電池セル１が構成されている。
【００１７】
膜電極複合体１０において、高分子電解質膜１１の周縁は、触媒電極層１２及びガス拡散層１３の周縁から張り出しており、この張り出し部１１ａが、一方のセパレータ２０Ａに一体的に設けられた第一ガスケット３０と、他方のセパレータ２０Ｂに一体的に設けられた第二ガスケット４０の間に挟み込まれることによって、燃料ガス（水素）や酸化ガス、その電気化学反応により生成されて排出される水や余剰の酸化ガス、冷媒などが、それぞれの流路から漏れることのないように密封されている。
【００１８】
第一ガスケット３０及び第二ガスケット４０は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、パーフルオロゴム（ＦＦＫＭ）などから選択されたゴム状弾性材料からなるものである。
【００１９】
そしてこのうち、第一ガスケット３０は、先端がＲ面をなす山形の第一シール突条３１を有するものであって、上述のゴム状弾性材料の液状ゴムを用い、通常の圧縮成形、ＬＩＭ成形あるいはＳＩＭ成形によって成形してからセパレータ２０Ａの表面に貼り付けるか、あるいはセパレータ２０Ａの表面に一体成形することができる。
【００２０】
一方、第二ガスケット４０は、第一ガスケット３０における第一シール突条３１の延長形状と対応する延長形状をなして膜電極複合体１０の電解質膜１１の張り出し部１１ａと密接される複数（図示の例では５本）の第二シール突条４１（４１ａ〜４１ｅ）を有するものであって、第一ガスケット３０と同様、ゴム状弾性材料の液状ゴムを用い、通常の圧縮成形、ＬＩＭ成形あるいはＳＩＭ成形によって成形してからセパレータ２０Ｂの表面に貼り付けるか、あるいはセパレータ２０Ｂの表面に一体成形することができる。
【００２１】
第二ガスケット４０における第二シール突条４１は、膜電極複合体１０の電解質膜１１の張り出し部１１ａに対する第一シール突条３１の密接幅（例えば第一シール突条３１の先端Ｒ面の幅）ｗより小さいピッチｐで、この第一シール突条３１と平行に並んで形成されている。そして、各第二シール突条４１は先端がＲ面をなすものであって、その曲率半径は、第一シール突条３１における先端Ｒ面の曲率半径の１／２以下としてある。また、複数の第二シール突条４１ａ〜４１ｅのうち、中央のシール突条４１ｃは、第一シール突条３１と略同形同大の延長形状に形成されており、したがって、膜電極複合体１０の両側で、セパレータ２０Ａ，２０Ｂ（第一ガスケット３０と第二ガスケット４０）が正規の位置決め状態で組み付けられた場合は、第一ガスケット３０の第一シール突条３１が、第二ガスケット４０における中央のシール突条４１ｃと正対するようになっている。
【００２２】
図２は、第二ガスケット４０の第二シール突条４１の形状例を示す断面図で、このうち（Ａ）に示される例は、各第二シール突条４１が蒲鉾形で、その間の谷底部４２が平坦に形成されており、（Ｂ）に示される例は、第二シール突条４１と谷底部４２が波状をなして形成されており、（Ｃ）に示される例は、第二シール突条４１のピッチｐを（Ａ）及び（Ｂ）に比較して狭くしたものである。
【００２３】
なお、第二ガスケット４０の幅（外側の第二シール突条４１ａから４１ｅまでの幅）は、想定される最大のオフセット量を考慮して、適切に決定される。
【００２４】
上記構成において、燃料電池セル１を多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて燃料電池スタックとして組み立てた状態では、膜電極複合体１０における高分子電解質膜１１の張り出し部１１ａが、第一ガスケット３０の第一シール突条３１と第二ガスケット４０の第二シール突条４１ａ〜４１ｅとの間に挟み込まれる。このとき、セパレータ２０Ａ，２０Ｂ（第一ガスケット３０と第二ガスケット４０）が正規の位置決め状態で組み付けられているか否かに拘らず、高分子電解質膜１１に対する第一シール突条３１の密接領域が、１つ以上の第二シール突条４１と対向することになり、すなわち第一シール突条３１の圧縮力が必ず１つ以上の第二シール突条４１に作用するので、組み付け精度によるオフセットがあっても、高分子電解質膜１１に大きな曲げモーメントが作用しない。
【００２５】
また、第二ガスケット４０が圧縮力を受けることによって、各第二シール突条４１ａ〜４１ｅがつぶされて局部的に面圧が上昇するので、シール面をフラットにした場合に比較して高い密封性を確保することができる。
【００２６】
図３は、図１の形態において、オフセットが発生していない状態、すなわち第一ガスケット３０と第二ガスケット４０が正規の位置に組み付けられた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図である。すなわち、セパレータ２０Ａ，２０Ｂ（第一ガスケット３０と第二ガスケット４０）にオフセットが発生していない場合は、図３（Ａ）に示されるように、第一ガスケット３０における第一シール突条３１が、第二ガスケット４０における中央の第二シール突条４１ｃと正対するので、図３（Ｂ）に示される圧縮状態では、第一シール突条３１からの圧縮力が、低剛性の薄肉の高分子電解質膜１１を介して中央の第二シール突条４１ｃに作用する。
【００２７】
図４は、図３（Ｂ）に示される状態、すなわちオフセットが発生していない状態で圧縮された場合の第一シール突条３１側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。この図４に示されるように、図１の形態によれば、第二シール突条４１ｃの面圧が、第一シール突条３１とほぼ同等の高いものとなる。このため、優れた密封性を確保することができる。
【００２８】
また、図５は、図１の形態において、オフセットが発生した状態、すなわち第一ガスケット３０と第二ガスケット４０が互いにずれた状態で組み付けられた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図である。すなわち、図５（Ａ）に示されるように、セパレータ２０Ａ，２０Ｂ（第一ガスケット３０と第二ガスケット４０）にオフセットが発生している場合は、第一シール突条３１が、第二ガスケット４０における中央の第二シール突条４１ｃから片側へずれた位置で、単一又は複数の第二シール突条４１と対向するため、図５（Ｂ）に示される圧縮状態では、第一シール突条３１からの圧縮力が、低剛性の薄肉の高分子電解質膜１１を介して単一又は複数の第二シール突条４１へ作用することになるが、それによる高分子電解質膜１１の変形は小さく抑えられる。
【００２９】
図６は、図５（Ｂ）に示される状態、すなわちオフセットが発生した状態で圧縮された場合の第一シール突条３１側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。この図６に示されるように、図１の形態によれば、オフセットが発生した状態では、先に説明した図３のようにオフセットが発生していない場合に比較して面圧が低下するが、その低下は１０％程度に抑制され、しかも、第二シール突条４１ｃに、第一シール突条３１とほぼ同等の面圧が確保されることがわかる。
【００３０】
また、図７は、比較例として、第一シール突条３１を有する第一ガスケット３０と、フラットなシール面５１が形成されたガスケット５０を組み付けた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図、図８は、図７（Ｂ）に示される圧縮状態において第一シール突条３１側とその反対側のシール面５１の面圧を測定した結果を示す線図である。すなわち、図７（Ａ）に示されるように、第一ガスケット３０における第一シール突条３１がガスケット５０におけるフラットなシール面５１と対向するため、図７（Ｂ）に示される圧縮状態では、第一シール突条３１側の面圧に比較してフラットなシール面５１側の面圧が大幅に低下している。
【００３１】
したがって、以上の測定結果から、図１の形態による優位性が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。
【図２】図１の形態において、第二ガスケットの第二シール突条の形状例を示す断面図である。
【図３】図１の形態において、オフセットが発生していない状態で組み付けられた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図である。
【図４】図１の形態において、オフセットが発生していない状態での第一シール突条側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。
【図５】図１の形態において、オフセットが発生した状態で組み付けられた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図である。
【図６】図１の形態において、オフセットが発生した状態での第一シール突条側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。
【図７】比較例として、第一シール突条を有する第一ガスケットと、フラットなシール面が形成されたガスケットを組み付けた場合の未圧縮状態（Ａ）と圧縮状態（Ｂ）を示す断面図である。
【図８】図７の比較例において第一シール突条側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。
【図９】従来技術による燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。
【図１０】他の従来技術による燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。
【図１１】他の従来技術による燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池セル
１０  膜電極複合体
１１  高分子電解質膜
１２  触媒電極層
１３  ガス拡散層
２０Ａ，２０Ｂ  セパレータ
３０  第一ガスケット
３１  第一シール突条
４０  第二ガスケット
４１（４１ａ〜４１ｅ）  第二シール突条
【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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【図８】
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【図９】
0005170376.tif 000010
【図１０】
0005170376.tif 000011
【図１１】
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