(57)【要約】【課題】シール材の反力によってＭＥＡを覆う平板が変形することによるガス流路の流路断面積の減少を防止する。【解決手段】本発明における燃料電池セルのシール構造は、膜電極接合体（１４）のうち非反応部分の両側に平板状の弾性部材（６）を配置して両側からセパレータによって挟持することで構成される燃料電池セルのシール構造において、セパレータには、反応ガスを流通するガス流路と、反応ガスの漏出を防止するシール材とが設けられ、弾性部材（６）は、一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのシール材とが対向する位置において、シール材側へ向かって凸形状である凸部（１１、１２）を有する。【選択図】図７
2007220340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体のうち非反応部分の両側に平板状の弾性部材を配置して両側からセパレータによって挟持することで構成される燃料電池セルのシール構造において、
前記セパレータには、反応ガスを流通するガス流路と、反応ガスの漏出を防止するシール材とが設けられ、
前記弾性部材は、一方の前記セパレータの前記ガス流路と他方の前記セパレータの前記シール材とが対向する位置において、前記シール材側へ向かって凸形状である凸部を有することを特徴とする燃料電池セルのシール構造。
【請求項２】
前記凸部は、前記ガス流路と前記シール材とが対向する位置において、前記弾性部材が前記シール材の反力によって前記ガス流路側へ押し出される分だけ予め前記シール材側へ変形させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルのシール構造。
【請求項３】
一方の前記セパレータの前記ガス流路と他方の前記セパレータの前記ガス流路とは、前記セルを構成したとき点対称となるように設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルのシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）をアノードセパレータとカソードセパレータとによって挟持して構成される燃料電池セルにおいて、セパレータに貫設される反応ガスのマニホールドや反応ガスの漏出を防止するシール材が設けられるＭＥＡの外周部付近を平板で覆う構造が特許文献1に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１６４２２７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の技術では、セパレータに設けられるガス流路の出入口であるマニホールド近傍であって、ＭＥＡを覆う平板を挟んで一方がガス流路と対向し、他方がシール材と接触する部分において、セパレータ同士を締め付けるとシール材の反力によって平板がガス流路を塞ぐように変形する。これにより、ガス流路の流路断面積が小さくなって流通するガス流量が減少する。
【０００４】
本発明は、シール材の反力によってＭＥＡを覆う平板が変形することによるガス流路の流路断面積の減少を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池のシール構造は、膜電極接合体のうち非反応部分の両側に平板状の弾性部材を配置して両側からセパレータによって挟持することで構成される燃料電池セルのシール構造において、セパレータには、反応ガスを流通するガス流路と、反応ガスの漏出を防止するシール材とが設けられ、弾性部材は、一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのシール材とが対向する位置において、シール材側へ向かって凸形状である凸部を有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、膜電極接合体、弾性部材及びセパレータを積層したときに弾性部材がシール材の反力によってガス流路側へ変形してもガス流路を塞ぐことがないので流路断面積が低下してガス流量が低下することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。初めに図１〜図６を用いて従来の燃料電池のシール構造について説明する。図１は、従来の燃料電池におけるアノードセパレータを示す平面図である。図２は、従来の燃料電池におけるカソードセパレータを示す平面透視図である。図３ａは、従来の燃料電池におけるＭＥＡ、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。図３ｂは、図３ａのＡ−Ａ断面図である。図４ａは、アノードセパレータ、ＭＥＡ及びカソードセパレータを重ねた状態を示す平面図である。図４ｂは、図４ａのＢ−Ｂ断面図である。図５は図４ｂの領域Ｃを拡大して示す分解図である。図６は図４ｂの領域Ｃの拡大図である。
【０００８】
図１に示すようにアノードセパレータ８には、アノードガス、冷却水又はカソードガスを流通させるための孔１、２、３がそれぞれ両端部付近に点対称となるように設けられる。アノードガス流路４は、アノードガスを流通させる孔１のうち一方から他方へとアノードガスをアノードセパレータ８の面に沿って流通させるようにアノードセパレータ８に設けられる。さらに、孔１とアノードガス流路４とを連通させ、アノードガスが孔２、３及びアノードセパレータ８の外部へ漏出するのを防止するためのシールラバー５が設けられる。
【０００９】
図２に示すようにカソードセパレータ９は、アノードセパレータ８と同様に構成され、両端部に配置される３つずつの孔１、２、３、カソードガス流路１６及びシールラバー１３とを有し、アノードセパレータ８とカソードセパレータ９とが点対称となるように構成される。
【００１０】
ＭＥＡ１４は電解質膜の両側に電極を接合して構成され、ＭＥＡ１４は図３ａに示すようにさらに両側からガス拡散層７及びシールキャリア６によって狭持される。シールキャリア６（弾性部材）は、アノードセパレータ８及びカソードセパレータ９のそれぞれのシールラバー５、１３（シール材）が接触してシール性を発揮できるように設けられる平板状の弾性部材であり、両セパレータ８、９のシールラバー５、１３と対向するように主に非反応部分である外周部近傍に設けられる。ガス拡散層７は、シールキャリア６が配される外周部以外の部分に設けられる。
【００１１】
よって図３ａのＡ−Ａ断面は、図３ｂに示すようにＭＥＡ１４をシールキャリア６によって挟持する部分とガス拡散層７によって挟持する部分とに分けられる。
【００１２】
図４ａに示すようにアノードセパレータ８、ＭＥＡ１４及びカソードセパレータ９を重ね合わせてセル１７を構成する。ここで、セル１７は図４ａの紙面上、下からアノードセパレータ８、ＭＥＡ１４及びカソードセパレータ９となるように重ね合わせているので、セル１７のＢ−Ｂ断面は図４ｂに示すようになる。
【００１３】
Ｂ−Ｂ断面ではカソードセパレータ側にシールラバー１３が設けられており、このシールラバー１３によってアノードガスがカソードガス流路１６へ侵入するのを防止している。図５に示すようにシールラバー１３はカソードセパレータ９の下面９ａより下側へ張り出すように設けられ、アノードセパレータ８とカソードセパレータ９とを重ね合わせて押圧すると、図６に示すようにシールラバー１３の反力によってＭＥＡ１４及びシールキャリア６がアノードガス流路４と対向する部分においてアノードガス流路側へ変形する。この変形部１０によってアノードガス流路４の断面積は減少しガス流量が低下する。
【００１４】
同様に、アノードセパレータ側にシールラバー５が設けられている箇所ではシールラバー５の反力によってＭＥＡ１４及びシールキャリア６がカソードガス流路１６と対向する部分においてカソードガス流路側へ変形する。
【００１５】
次に図７〜図９を用いて本実施形態における燃料電池のシール構造について説明する。図７は本実施形態におけるＭＥＡ、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。図８、図９は本実施形態の場合におけるそれぞれ図５、図６に対応する図である。
【００１６】
本実施形態ではアノードセパレータ８及びカソードセパレータ９は従来と同一の構成であり、シールキャリア１８の構成が異なる。本実施形態のシールキャリア１８は、従来変形が生じていた図６に示す変形部１０を予めシールラバー側へ変形させておく。すなわち、シールキャリア１８が、アノードセパレータ８のアノードガス流路４とカソードセパレータ９のシールラバー１３とによって挟まれる部分において、シールラバー側へ凸形状となる凸部１１を設ける。同様に、カソードセパレータ９のカソードガス流路１６とアノードセパレータ８のシールラバー５とによって挟まれる部分において、シールラバー側へ凸形状となる凸部１２を設ける。
【００１７】
ここで、アノードガス流路４又はカソードガス流路１６に対向する部分のシールキャリア１８がアノードセパレータ８及びカソードセパレータ９から受ける力は両端固定梁への等分布荷重とみなすことができるので、凸部１１、１２の形状を以下の（１）式によって演算されるシールキャリア１８の変形量となるように設定する。
【００１８】
【数１】
2007220340.tif 000003
【００１９】
ここで、δはたわみ、ｗは単位長さ当たりの分布荷重、ｌは流路の幅、ｘは流路端部からの距離、Ｅは弾性係数、Ｉは断面２次モーメントを示す。
【００２０】
これにより図７に示すようにＭＥＡ１４をカソードセパレータ９と接する側から見たとき、紙面上手前に凸形状となる凸部１１と逆方向に凸形状となる凸部１２とが点対称に配置されることになる。なお、凸部１１、１２はそれぞれ対向する流路の数だけ設けられる。このシールキャリア１８によって挟持されるＭＥＡ１４を用いてセル１７を構成すると図４ａのＢ−Ｂ断面は図８、９に示すように、シールキャリア１８の凸部１１がシールラバー１３の反力によって変形するがアノードガス流路４まではみ出すことはなくアノードガス流路４の断面積は設計どおり確保されるのでガス流量が低下することを防止できる。
【００２１】
同様に、アノードセパレータ側にシールラバー５が設けられている箇所では凸部１２がシールラバー５の反力によって変形するがカソードガス流路１６まではみ出すことはない。
【００２２】
以上のように本実施形態では、ＭＥＡ１４、シールキャリア１８及びセパレータ８、９を積層したときにシールキャリア１８がシールラバー５、１３の反力によってアノードガス流路側又はカソードガス流路側へ変形してもガス流路を塞ぐことがないので流路断面積が低下してガス流量が低下することを防止できる。
【００２３】
また、凸部１１、１２の形状を（１）式によって演算されるシールキャリア１８の変形量となるように設定するので、シールラバー５、１３の反力によってシールキャリア１８がアノードガス流路４又はカソードガス流路１６と対向する部分においてガス流路側へ変形する分だけ予め逆方向へ変形させておくことができ、アノードセパレータ８とカソードセパレータ９とを締め付けたときにガス流路４、１６の断面積が減少してガス流量が低下することをさらに防止できる。
【００２４】
さらに、アノードセパレータ８とカソードセパレータ９とが点対称となるように、すなわちアノードガス流路４とカソードガス流路１６とが点対称となるように構成されるので、シールキャリア１８に設けられる凸形状の向きが異なる凸部１１、１２もそれぞれ点対称となり、シールキャリア１８の向きを間違えてセル１７を組み付けてしまうことによる不具合を防止することができる。
【００２５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アノードセパレータを示す平面図である。
【図２】カソードセパレータを示す平面透視図である。
【図３ａ】従来の燃料電池におけるＭＥＡ、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。
【図３ｂ】図３ａのＡ−Ａ断面図である。
【図４ａ】アノードセパレータ、ＭＥＡ及びカソードセパレータを重ねた状態を示す平面図である。
【図４ｂ】図４ａのＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図４ｂの領域Ｃを拡大して示す分解図である。
【図６】図４ｂの領域Ｃの拡大図である。
【図７】本実施形態におけるＭＥＡ、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。
【図８】本実施形態におけるシールキャリアを使用した場合の図４ｂの領域Ｃを拡大して示す分解図である。
【図９】本実施形態におけるシールキャリアを使用した場合の図４ｂの領域Ｃの拡大図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  アノードガス用の孔
２  冷却水用の孔
３  カソードガス用の孔
４  アノードガス流路
５  シールラバー
６  シールキャリア
７  ガス拡散層
８  アノードセパレータ
９  カソードセパレータ
９ａ  カソードセパレータの下面
１０  変形部
１１  凸部
１２  凹部
１３  シールラバー
１４  ＭＥＡ
１５  電解質膜の両側に電極を接合したもの
１６  カソードガス流路
１７  セル
１８  シールキャリア
【図１】
2007220340.tif 000004
【図２】
2007220340.tif 000005
【図３ａ】
2007220340.tif 000006
【図３ｂ】
2007220340.tif 000007
【図４ａ】
2007220340.tif 000008
【図４ｂ】
2007220340.tif 000009
【図５】
2007220340.tif 000010
【図６】
2007220340.tif 000011
【図７】
2007220340.tif 000012
【図８】
2007220340.tif 000013
【図９】
2007220340.tif 000014