(57)【要約】【課題】燃料電池の外形寸法を大きくすることなく、セル内流体通路の面積を増大して燃料電池の効率を向上させる。【解決手段】燃料ガスまたは酸化剤ガスの流体通路を包囲するように介装する圧縮シール２８の断面形状を、セパレータ１３に接する比較的幅の広いフランジ部２８ａと、このフランジ部から立ち上がる比較的幅の狭いビード部２８ｂとから構成し、前記ビード部が流体通路１５から見て外側に位置するようにオフセットｅを設けて、ＭＥＡに接する流体通路の面積を拡大した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極結合体とセパレータとの間に画成される燃料ガスまたは酸化剤ガスの流体通路を包囲するように圧縮シールを介装し、前記圧縮シールは、その断面形状を、膜電極結合体またはセパレータに接する比較的幅の広いフランジ部と、このフランジ部から立ち上がる比較的幅の狭いビード部とから構成した燃料電池において、
前記圧縮シールに、前記ビード部が流体通路から見て外側に位置するように前記フランジ部上に偏在する部分を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記流体通路の上流部に連通する入口側の内部マニホールド孔、または下流部に連通する出口側の内部マニホールド孔の辺縁部においては、前記ビード部は前記フランジ部上で内側方向に偏在している請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ビード部は、流体通路の側方から内部マニホールド孔の側方にわたり直線的に形成したフランジ部上にて、前記流体通路側方域では外側に偏在し、前記内部マニホールド孔側方域では内側に偏在するようにそれぞれ形成し、これら外側偏在部分と内側偏在部分との中間部分を、フランジ部の長手方向に沿って、外側偏在部分から次第に内側偏在部分へと断面形状が変化するように形成した請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ビード部は、流体通路の側方から内部マニホールド孔の側方にわたり形成したフランジ部上では流体通路外側域に偏在するように、かつ内部マニホールド孔の角部に沿って曲折した端部領域にては内側域に偏在するように、それぞれ形成した請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記圧縮シールは、膜電極結合体またはセパレータ上に射出成形により一体的に形成される請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特にそのセル内のシール構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセル内反応領域での燃料ガスまたは酸化剤ガスをゴム材料等からなる圧縮シールにより封止したセル構造として特許文献１に開示されたようなものが知られている。図１はこのような燃料電池セルにおけるシール構造の概略を示している。１０は固体高分子膜の両側にアノード１１およびカソード１２を設けた膜電極結合体であり、両面に接合したセパレータ１３または１４との間に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流体通路１５または１６が画成されている。セパレータ１３または１４には、前記流体通路１５、１６を構成する多数の溝状部１７が形成されており、これらを包囲する最外周の溝状部１７には、膜電極結合体１０との間にゴム等の高弾性材料からなる圧縮シール１８が介装されている。
【０００３】
図２は前記圧縮シール１８の一般的な断面形状を示している。図示したように、圧縮シール１８は、セパレータ１３の溝状部１７の底面に密着するフランジ部１８ａと、その上面に立ち上がるビード部１８ｂとからなっており、フランジ部１８ａは圧縮シール１８の安定性を確保するために比較的幅広に形成され、ビード部１８ｂはセパレータ１３を膜電極結合体１０に積層したときに積層方向に適度に圧縮変形して良好なシール性を発揮するように比較的幅が狭く形成されている。幅広のフランジ部１８ａは、ビード部１８ｂを安定させる機能の他に、金型を使用した射出成形によりセパレータ上に一体的に形成する構造のものでは、その上面に金型の射出口を臨ませるための余裕代（図２において符号ｉで示した部分）を確保するためにも設けられている。
【０００４】
なお、図１において１３’はセパレータ１４に隣接する他のセルのセパレータを示しており、両者間に冷却水が流通する流体通路１９が画成される。これらセパレータ１４と１３’との接合部はこの場合は流体ガスケットまたは接着剤によりシールがなされているが、この部分に圧縮シールを適用した構成のものもある。
【特許文献１】特開２００４−６３０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の圧縮シール１８は、幅の広いフランジ部１８ａをセパレータ溝状部１７の内側部分という制約された箇所に設けなければならず、膜電極結合体１０およびセパレータ１３の外形部分よりも相応に内側に設けることになるので、それだけ燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させるための流体通路の面積が制約されてしまうという問題点がある。
【０００６】
特に、このような圧縮シール１８を射出成形する場合、前述のように金型の射出口を臨ませるためにある程度幅の広いフランジ部１８ａを形成しなければならないことに加えて、その両側に、射出成型時にセパレータ１３に金型を密着させるための型締幅ｄ（図２参照）を確保する必要があることから、流路面積確保という観点からはさらに不利になる。
【０００７】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、燃料電池の寸法を増大させることなく、セル内の流体通路の面積を大きくとることのできるシール構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、膜電極結合体とセパレータとの間に画成される燃料ガスまたは酸化剤ガスの流体通路を包囲するように圧縮シールを介装した燃料電池において、前記圧縮シールの断面形状を、膜電極結合体またはセパレータに接する比較的幅の広いフランジ部と、このフランジ部から立ち上がる比較的幅の狭いビード部とから構成し、さらに前記圧縮シールに、前記ビード部が流体通路から見て外側に位置するように前記フランジ部上に偏在する部分を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧縮シールのビード部を外側に偏在させたことにより、その偏位分だけ燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路面積を大きくすることができ、これにより膜電極結合体上の反応領域に接するガス流量を大きくして燃料電池の効率を改善することができる。
【００１０】
また、本発明では、圧縮シールのビード部をフランジ部の幅内で外側に偏位させた構成であるので、燃料電池の外形寸法が大きくなることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお図１〜２と対応する部分には同一の符号を付して示すこととする。図３〜図５は本発明の第１の実施形態を示している。
【００１２】
図３または図４において、１３はセパレータ、２８は圧縮シールをそれぞれ示している。セパレータ１３は金属またはカーボン等からなる導電性および耐食性を有する板状材料をプレス成形して形成されており、その一方の端部（図の右端部）にはセル内の流体通路と連通する３個の内部マニホールド孔２１〜２３が開口している。図は膜電極結合体（以下「ＭＥＡ」という。）のアノード極側に接合される燃料ガス用の流体通路１５を形成したセパレータを示しており、この内部流体通路１５と連通する内部マニホールド孔２１を介して外部からの燃料ガスの供給がなされる。２２は冷却水用、２３は酸化剤ガス（通常は空気）用の内部マニホールド孔である。セパレータ１３の他端部（左端部）側は図示省略してあるが、同様に内部流体通路と連通する流体排出用の内部マニホールド孔が形成されている。
【００１３】
燃料電池は、通常は図１に示したようにＭＥＡの両面にセパレータを積層してなるセルを多数積層してスタックを構成する。前記内部マニホールド孔２１〜２３は、スタックを構成した状態でそれぞれのセル内流体通路に連通する一連の内部マニホールドを構成し、スタックの一端部に接合される外部マニホールドを介してそれぞれの流体の供給または排出が行われることになる。
【００１４】
内部流体通路１５は、前記内部マニホールド孔２１に連通する流路入口にあたる分流部１５ａと、分流部１５ａに連通する多数の通路部１５ｂとからなり、これら分流部１５ａと通路部１５ｂからなるガス流域の大部分が図示しないＭＥＡの反応領域つまり高分子膜ないし電極面が露出した領域と対向するように構成されている。内部マニホールド２２と２３は、それぞれ隣接する他のセパレータまたは膜電極結合体との間に画成される流体通路（図１参照）と連通するように構成される。
【００１５】
圧縮シール２８は、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム等の高弾性材料を用いて射出成形等により形成されている。この圧縮シール２８は、図３に一点鎖線にて示したように、燃料ガス用の内部マニホールド２１とこれに連通する流体通路１５の外周を包囲する部分と、他の内部マニホールド孔２２，２３を個々に包囲する部分とからなり、これにより流体通路１５および３つの内部マニホールド孔２１〜２３の流体が外部に漏洩するのを封止すると共に、各流路間での流体の漏洩を防止するようにしている。
【００１６】
図４に前記圧縮シール２８の詳細を示す。図示したように圧縮シール２８はセパレータ１３の溝状部１７の底面に着座する比較的幅の広いフランジ部２８ａと、このフランジ部２８ａ上に立ち上がる比較的幅の狭いビード部２８ｂとからなる。前記圧縮シール２８のビード部２８ｂは、直線的に形成したフランジ部２８ａに対して内外に偏在した構成となっている。すなわち、フランジ部２８ａの断面中心線をＣｓ、ビード部２８ｂの断面中心線をＣｂとするとき、Ｃｓに対してＣｂを内外方向に距離ｅだけオフセットをさせた構成となっている。
【００１７】
前記オフセットの方向はこの実施形態では圧縮シール２８がシールをする領域によって変化させてあり、詳細には図５に示したように、流体通路１５の側方域については流体通路１５から見て外側に偏在するように、内部マニホールド孔２１〜２３の側方ないし周囲については内側方向に偏在するように構成してある。ビード部２８ｂの前述した外側への偏在部分と内側への偏在部分との中間部分は、外側偏在部分から内側偏在部分へと次第に断面形状が変化するように形成し、平面視において図示されるように外側から内側へと傾斜する態様としてある。図示しないが、出口側の内部マニホールド孔の周囲についても圧縮シール２８を同様に形成するものとする。
【００１８】
なお、前記圧縮シール２８をセパレータ１３上に射出成形により一体形成する場合には、図４に示したようにフランジ部２８ａの両側に型締め幅ｄを設けると共に、フランジ部２８ａの上面において、ビード部２８ｂの偏在方向と反対側であって面積が増大した側に射出口を臨ませるための余裕代ｉを設けることとする。
【００１９】
次に、前記構成に基づく作用効果について説明する。前記構成によれば、反応流体（この場合、燃料ガス）が流通する内部通路１５の両側方について圧縮シール２８のビード部２８ｂを外側に偏在させたことから、内部通路１５の横断面積が前記偏在分だけ大となり、より多くの流体を流すことが可能となる。これにより、ＭＥＡと反応流体との接触機会が増して燃料電池の効率が向上する。前記構成においては圧縮シール２８のビード部２８ｂを外側に偏在させただけであって、フランジ部２８ａの位置は従来のままであるので、セパレータ１３ないしセルの外形が大きくなるようなことはなく、また射出成形も容易に行うことができる。
【００２０】
また、この実施形態では内部マニホールド孔２１〜２３の周囲については圧縮シール２８のビード部２８ｂを内側に偏在させている。こうすることにより、反応領域として機能しないマニホールド孔周辺部のデッドスペースを縮小して、流体通路１５への流量をより増加させることができる。特に、酸化剤ガス（内部マニホールド孔２３）は要求流量が多いので、このようなデッドスペースの削減は有効である。
【００２１】
なお、この実施形態ではビード部２８ｂを偏在させた圧縮シール２８をセパレータ１３に設けた構成を示したが、これに限られず、圧縮シール２８をＭＥＡ側に設けるようにしてもよい。ただし、流体通路１５の部分にてビード部２８ｂを外側に偏在させた構成においては、流体通路１５の通路断面積が増大するのみならず、ビード部２８が接する領域の面積が外側に拡大することにもなるので、ビード部２８ｂがＭＥＡに接する構成、つまりセパレータ１３側に圧縮シール２８を設けた構成とするほうが、反応領域の面積をできるだけ大きくとるという観点からは有利である。
【００２２】
次に、図６に示した本発明の第２の実施形態について説明する。これは、圧縮シール２８のビード部２８ｂを、流体通路１５の側方から内部マニホールド孔２１の側方にわたるフランジ部２８ａ上では流体通路１５の外側域に偏在するように、かつ内部マニホールド孔２１の角部に沿って曲折した端部領域にては内側域に偏在するように、それぞれ形成したものである。すなわち、この実施形態では、シールフランジ部２８ａが内部マニホールド２１の側方から端部側へと方向を変える角部２８ｃにて、ビード部２８ｂの偏在方向が外側から内側へと変化するように構成してある。
【００２３】
この実施形態の構成によると、内部マニホールド孔２１の側方域については若干のデッドスペースが生じるが、ビード部２８ｂの平面形状が単純な直線の組合せであるので、圧縮シール２８の成形が容易になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】固体高分子型燃料電池の一般的なセル構造を示す縦断面図。
【図２】従来の圧縮シールの縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るセパレータの要部平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った詳細断面図。
【図５】図３のＢ矢示部の詳細図。
【図６】本発明の第２の実施形態の、図５に相当する詳細図。
【符号の説明】
【００２５】
１３  セパレータ
１５  流体通路
２１，２２，２３  内部マニホールド孔
２８  圧縮シール
２８ａ  圧縮シールのフランジ部
２８ｂ  圧縮シールのビード部
Ｃｓ    圧縮シールのフランジ部の中心線
Ｃｂ    圧縮シールのビード部の中心線
【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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