(57)【要約】【課題】シール性の良好な燃料電池用シール構造を提供する。【解決手段】電解質と電極からなる電解質アッセンブリ、複数種類の流体のうち少なくとも一つの流体を表面に流通させる流路部と、該流路部に複数種類の流体のうち対応する流体を給排するために、表面を貫通して形成された開口部と、を有するセパレータ、および、該セパレータの表面において、流路部と開口部の周囲に配置されたシール材、を有する燃料電池において、シール材は、少なくとも一つの流体の開口部の周囲のうち流路部に接続する一部分が開放されるとともに他の部分にシール材が配置された部分開放シールと、他の流体の開口部の全周囲を取り囲むように配置された閉止シールとを有し、部分開放シールから流路部のシール材につながるシール材の接続部は、コーナー部を有し、該コーナー部の近傍には荷重支持体が設けられる。【選択図】図7
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と電極からなる電解質アッセンブリ、
複数種類の流体のうち少なくとも一つの流体を表面に流通させる流路部と、該流路部に複数種類の流体のうち対応する流体を給排するために、表面を貫通して形成された開口部と、を有するセパレータ、および、
該セパレータの表面において、流路部と開口部の周囲に配置されたシール材、
を有する燃料電池であって、
シール材は、少なくとも一つの流体の開口部の周囲のうち流路部に接続する一部分が開放されるとともに他の部分にシール材が配置された部分開放シールと、他の流体の開口部の全周囲を取り囲むように配置された閉止シールとを有し、
部分開放シールから流路部のシール材につながるシール材の接続部は、コーナー部を有し、該コーナー部の近傍には荷重支持体が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
シール材は、閉止シールと部分開放シールとが一体化された構造であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
【請求項３】
荷重支持体は、シール材と同じ材質で構成されることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項４】
荷重支持体は、閉止シールのコーナー部と連結されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
荷重支持体は、部分開放シールが配置された開口部と、流路部との間を流通する流体の流れに対して、平行に配置されることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
【請求項６】
荷重支持体は、セパレータ表面に設けられた突起部であることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
部分開放シールが配置された開口部の周囲のうち、流路部に接続する部分には複数の荷重支持体が配置されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
シール材のコーナー部は、連続的な曲線形状であることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、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アノード電極および電解質膜の他面に配置されたカソード電極とからなる膜／電極接合体（MEA：Membrane-Electrode  Assembly）と、セパレータとで構成される各セルを複数層重ねてセル積層体として利用される。
【０００３】
セパレータは、アノードおよびカソードの両電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための流路と開口（マニホールド）を有し、さらに燃料電池冷却用の冷却媒体（例えば純水）を供給するための流路および開口（マニホールド）を有する。
【０００４】
反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）および冷却媒体は、燃料電池内部に構成された各流体用のマニホールドを介して流れ、それぞれが互いに分離された状態で各セル内に供給され、出口開口（マニホールド）から回収され、燃料電池の外部へ排出される。このような開口（マニホールド）を流れる各流体の分離、および各流体の外部へのリークを防止するため、通常開口（マニホールド）およびセパレータの周囲にはシール材が設けられる。
【０００５】
冷却媒体用流路が形成されたセパレータ表面に設置される一般的な一体化シール70の配置を図4に示す。燃料ガス用開口（マニホールド）33a、33bおよび酸化剤ガス用開口（マニホールド）34a、34bの周囲には開口（マニホールド）を完全に取り囲むようにシール材が設置される（以下このような形状のシール材を「閉止シール」と称する）。これに対して、セパレータ面内に冷却媒体を給排するため、冷却媒体用開口（マニホールド）32a、32bの周囲に設置されるシール材は、流路26に接続する側が開放された状態となっている（以下このような形状のシール材を「部分開放シール」と称する）。
【０００６】
一方、セパレータの裏面には異なる流体（例えば燃料ガス）が流れるため、裏面では例えば開口（マニホールド）33aおよび33bの周囲に部分開放シールが設置され、その他の開口（マニホールド）周囲には閉止シールが設置される。従って閉止シールと部分開放シールの位置関係は、表裏で異なることになる。
【０００７】
このようなシール配置のセパレータを積層させ、積層方向に締付荷重を加えた場合、締付荷重が均一に印加されにくいシール領域（例えば、部分開放シールの開放されている部分）が生じる。そのようなシール領域ではシール性が低下し、流体のリークが生じ易くなる。
【０００８】
そこでセパレータのシール部全体に均一な荷重を加えることを可能にするため、例えば冷却媒体開口32a、32bの周囲の、シール材70の開放されている部分（以下「開放部分」ともいう）に別途シール材を島状に設置して、積層方向の荷重を均一化させる方法が示されている（特許文献1参照）。
【特許文献１】特開2004-335178号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、シール材のコーナー部Rでは、シール材の直線部に比べて、シール材の位置がずれ易く、セパレータ積層方向の荷重が不均一になる傾向がある。従って特許文献1の方法を利用しても、シール材の締付荷重の均一化は、十分とはいえない。特に、部分開放シールの開放部分にはシール材は存在しないため、部分開放シールのコーナー部Rでは位置のずれが大きく、シール材の締付荷重は不均一になり易いという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、流体用開口周囲のシール材の締付荷重の均一性を改善して、シール性の良好な燃料電池用シール構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明では、電解質と電極からなる電解質アッセンブリ、複数種類の流体のうち少なくとも一つの流体を表面に流通させる流路部と、該流路部に複数種類の流体のうち対応する流体を給排するために、表面を貫通して形成された開口部と、を有するセパレータ、および、該セパレータの表面において、流路部と開口部の周囲に配置されたシール材、を有する燃料電池であって、シール材は、少なくとも一つの流体の開口部の周囲のうち流路部に接続する一部分が開放されるとともに他の部分にシール材が配置された部分開放シールと、他の流体の開口部の全周囲を取り囲むように配置された閉止シールとを有し、部分開放シールから流路部のシール材につながるシール材の接続部は、コーナー部を有し、該コーナー部の近傍には荷重支持体が設けられることを特徴とする燃料電池が提供される。このような位置に荷重支持体を設置することにより、シール材がずれにくくなるとともに、仮にシール材の位置がずれたとしても、シール材全体に均一な荷重を加えることが可能となる。
【００１２】
ここで、シール材は、閉止シールと部分開放シールとが一体化された構造であっても良い。
【００１３】
また荷重支持体は、シール材と同じ材質で構成されても良い。
【００１４】
さらに荷重支持体は、閉止シールのコーナー部と連結されても良い。
【００１５】
例えば、荷重支持体は、部分開放シールが配置された開口部と、流路部との間を流通する流体の流れに対して、平行に配置される。これにより、荷重支持体の設置工程が簡略化される。
【００１６】
あるいは別の態様として、荷重支持体は、セパレータ表面に設けられた突起部であっても良い。この場合も、荷重支持体の設置工程を省略することが可能となる。
【００１７】
さらに別の態様として、部分開放シールが配置された開口部の周囲のうち、流路部に接続する部分には複数の荷重支持体が配置されても良い。これにより、さらに効果的な荷重の均一化が達成される。
【００１８】
なおシール材のコーナー部は、連続的な曲線形状であっても良い。一般にコーナー部が曲線形状の場合、シール材は、よりずれやすい傾向にあるが、本発明では、このようなシール材形状であっても、シール材に加わる締め付け荷重の不均一性を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池のシール構造では、流体用開口周囲のシール材の締付荷重の不均一性を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下実施例を用いて本発明の最良の形態を説明する。
【００２１】
本発明が対象とする燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池10である。本発明の燃料電池10は例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ても良い。
【００２２】
まず固体高分子電解質型燃料電池の構成について説明する。
【００２３】
固体高分子電解質型燃料電池10は図1、図2、図3に示すように、膜／電極接合体（MEA）と、セパレータと、樹脂フレームとを有するセルを積層して構成される。MEAはイオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層12からなる電極14（アノード）および電解質膜11の他面に配置された触媒層15からなる電極17（カソード）とからなる。電極14、17とセパレータとの間には拡散層13、拡散層16が設けられる。セパレータは、第1の部材18Aと第2の部材18Bで構成され、これらの部材は、電極14、17に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路27、28および燃料電池冷却用の冷媒が流れる冷却媒体流路26を有する。セルを1層以上積層してモジュール19を構成し、（図1の例では1セルで1モジュールを構成している）、モジュール19を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ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、セル積層方向に延びる焼結部材24（例えばテンションプレート）とボルト25またはナットで固定して、スタック23が構成される。冷却媒体流路26はセル毎に、または複数のセル毎に設けられる。
【００２４】
次に、セパレータと樹脂フレームとの積層方法について説明する。
【００２５】
図3に示すように、セパレータの第1の部材18A、第2の部材18Bは、燃料電池反応部29（燃料電池の電極反応の生じる部分）を有するが、樹脂フレーム18C、18Dは、同部分が中抜き穴となっている。セパレータの第1の部材18Aと、樹脂フレーム18Cは、MEAのアノード電極側に配置され、セパレータの第1の部材18Aは表裏で燃料ガスと冷却媒体を区画している。セパレータの第2の部材18Bと、樹脂フレーム18Dは、MEAのカソード電極側に配置され、セパレータの第2の部材18Bは、表裏で酸化剤ガスと冷却媒体を区画する。セパレータの第1および第2の部材18A、18Bは金属製で、以下それぞれメタルセパレータ18A、18Bと言う。メタルセパレータ18A、18Bは、例えばステンレス鋼のような金属板にニッケルや金のような導電性金属をメッキした材料からなる。メタルセパレータ18A、18Bは、隣接するセル間の導電通路を構成する役割を果たす。
【００２６】
燃料電池反応部29では、樹脂フレーム18C、18Dが中抜きされているので、メタルセパレータ18A、MEA、メタルセパレータ18Bの順で積層され、樹脂フレーム18C、18Dの部分は、メタルセパレータ18A、樹脂フレーム18C、樹脂フレーム18D、メタルセパレータ18Bの順に積層される。
【００２７】
図5に示すように、メタルセパレータ18Aの燃料電池反応部29のMEA側の面には燃料ガス流路27が形成されており、MEAと反対側の面には冷却媒体流路26が形成されている。同様にメタルセパレータ18Bの燃料電池反応部のMEA側の面には酸化剤ガス流路28が形成されており、MEAと反対側の面には冷却媒体流路26が形成されている。燃料ガス流路27と酸化剤ガス流路28は、MEAを挟んで互いに対応している。ひとつのセルのメタルセパレータ18Aの燃料電池反応部のMEAと反対の側の面の冷却媒体流路26と、隣接セルのメタルセパレータ18Bの燃料電池反応部のMEAと反対側の面の冷却媒体流路26とは、セル積層方向に隔てられることなく、連通している。
【００２８】
燃料電池反応部29では、ひとつのセルの燃料ガス流路27の凹溝の底部のMEAと反対側の面と、隣のセルの酸化剤ガス流路28の凹溝の底部のMEAと反対側の面とは接触しており、この接触面はひとつのセルのメタルセパレータ18Aと隣のセルのメタルセパレータ18Bとの間の導電通路を形成している。
【００２９】
通常燃料ガス流路27は、複数個並列に形成され、酸化剤ガス流路28も複数個並列に形成される。
【００３０】
図3、4に示すようにメタルセパレータ18A、18Bと樹脂フレーム18C、18Dの、燃料電池反応部29を挟んで対向する対向部30、31には開口が形成される。図の配置は、いわゆる対向流型流路配置の例である。この配置では、対応部30、31の一方には入口側の冷却媒体開口32a、出口側の燃料ガス開口33b、入口側の酸化剤ガス開口34aが設けられ、他方の31には出口側の冷却媒体開口32b、入口側の燃料ガス開口33a、出口側の酸化剤ガス開口34bが設けられている。これに対して各流体の流れ方向が相互に等しい、いわゆる並行流方式の場合は、燃料電池反応部29を挟んで互いに対向する対応部30、31の一方には各流体の入口側の開口が設けられ、他方の31には各流体の出口側の開口が設けられる。
【００３１】
図4、5、6に示すように、セル同士の間には、隣り合うメタルセパレータ間に一体化シール材70が配置され、このシール材70は、冷却媒体開口32a、32b、燃料ガス開口33 a、33b、酸化剤ガス開口34 a、34bを流れる各流体を相互に分離した状態で、これらの流体をシールする。このようなシール材としては、通常フッ素系もしくはシリコーン系のゴム、またはEPDM（エチレンプロピレンゴム）が用いられる。一方、メタルセパレータ（18Aまたは18B）のシール材70が設置されていない表面側には、樹脂フレーム（18Cまたは18D）が接着剤50を介して設置されるため、この表面では、接着剤50がシール材として機能する。このような燃料電池スタック23に、セル積層方向に締付荷重が印加されることによって、シール材70に荷重が加えられ、流体シール構造が形成される。
【００３２】
ここで本発明のシール構造の特徴を、図4の冷却媒体用の流路26が形成されたセパレータ表面でのシール材配置を例に詳しく説明する。
【００３３】
先に示したように、各流体は、各流体の入口開口を介して、所定のセパレータ表面の反応部29に供給され、各流体の出口開口を介して排出される。従って冷却媒体用の流路26が形成されたセパレータ表面において、一体化シール材70の閉止シールを、冷却媒体の開口32a、32bの周囲に設置することはできない。この場合、冷却媒体用開口32a、32bの周囲には部分開放シール80が設置される。
【００３４】
従来技術では、このような配置でシール材が設置されたセパレータを積層した場合、通常、シール材のコーナー部Rは、製造段階で、所定の位置に設置していても、組み立て後に積層方向で見た場合、シール材の直線部分に比べて大きなずれが生じ易い。特に閉止シール75と部分開放シール80とが連結されている部分では、部分開放シール80の開放部分85にはシール材は存在しないため、閉止シール材75のコーナー部Rの位置のずれの影響を部分開放シール80によって緩和することはできず、セパレータ積層方向から見た場合、このコーナー部には不均一な締付荷重が生じる。
【００３５】
また、前述のように、樹脂フレームをメタルセパレータに接着剤で接合している場合、上述のコーナー部Rに十分な荷重が印加されない結果、セパレータ内の該当部分（セパレータの積層図6の丸Dで覆われた部分）にある接着剤50は、内部流体の圧力を単独で受けることになる。従って接着剤50には剥離が生じ易く、剥離が生じた場合は流体のリークが生じてしまう。
【００３６】
そこで、これらの問題を解決しようとして、部分開放シール80の開放部分85に荷重を受ける突起物等を設置した場合、この部分が、開口から供給されセパレータの表面を流れる流体の障害となり、流体の均一な面内流束分布が妨げられ、セパレータ面内の流体の入口側と出口側で圧力損失が生じてしまう。さらに、シール材のコーナー部Rが、直角形状ではなく、曲面形状の場合には、コーナー部Rにシール材が存在しない部分が存在することになる。従って、部分開放シール80の開放部分85に荷重を受ける突起物等を設置しても、コーナー部R近傍には、荷重を受ける支持体が存在しないため、この位置では、依然として不均一な締付荷重が生じてしまう。
【００３７】
これに対して本発明では、図7に示すように、冷却媒体用開口32aと隣接する開口34a、33ｂの周囲に設置された閉止シール75のコーナー部近傍に、荷重支持体82が設置される。この荷重支持体82は、冷却媒体用開口32bと隣接する開口33aの周囲に設置された閉止シール75のコーナー部R近傍に、同様に設置される（図4参照）。このような荷重支持体82を設けることにより、シール材のコーナー部Rの位置ずれによる荷重の不均一化という問題が軽減される。なお、各セパレータの同一流体が流れる表面（本実施例では、冷却媒体が流れるメタルセパレータ18Bの表面）に設置される荷重支持体82は、セル積層断面で見たときに、積層方向に揃うように設置されることが好ましい。これにより、スタック全体にわたり、シール材に加わる締め付け荷重の不均一性を緩和できるからである。
【００３８】
また荷重支持体82は、部分開放シール80と連結された閉止シール75のうち、連結された部分開放シール80の開放部分にあるコーナー部の近傍に設置されることが好ましい。具体的には図8に示すように、閉止シール75と部分開放シール80の連結部分84を延長した直線L1と、閉止シール75のセパレータの対向部31（30）に近い側の辺を延長した直線L2との交点Cを中心とする半径rの円Eで囲まれる領域に設置されることが好ましい。ここでrは、直線L1上のシール材連結部分84の対向部31（30）に近い側の先端BとC点との距離である。
【００３９】
この位置に荷重支持体82を設置することにより、前述のように冷却媒体に対するセパレータ流路への流れに影響を及ぼすことなく、部分開放シール80と隣接する閉止シール75のコーナー部近傍での締付荷重の不均一性を抑制することが可能となる。また荷重支持体82は、図9のように、セパレータ内部の接着剤50を押し付ける効果を有する。従って従来、十分な締付荷重を印加することができなかったメタルセパレータ内の接着剤50に生じる剥離を抑制することができ、シール性の良好な燃料電池用シール構造を提供することが可能となる。
【００４０】
このような荷重支持体の材質は、一体化シール材70と同じであっても良く、あるいは接着剤50のような別の材質であっても良い。荷重支持体の材質としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素系ゴム、シリコーン系ゴム、天然ゴム等がある。
【００４１】
あるいは、荷重支持体は、隣接する閉止シール75と一体化された形状であっても良い。これにより荷重支持体82のハンドリングが容易となる。例えば図10および図11に示すように、荷重支持体82は、図8の直線L2に沿って閉止シール75のコーナー部から突出した形状（図10）、あるいは直線L1に沿ってコーナー部からセパレータの流路方向に突出した形状（図11）とすることもできる。これにより、組立工程において荷重支持体82の設置工程を簡略化することが可能となる。
【００４２】
また別の形態として、荷重支持体82は、セパレータ18の該当表面部分に設けられた突起であっても良い。これにより荷重支持体82の設置工程を削除することが可能となる。この場合、突起の高さはシール材70の圧縮後の高さとほぼ同等となるように設計される。
【００４３】
さらに上述のいずれかの荷重支持体82の設置に加えて、図12に示すように、部分開放シール80の途切れた部分（直線L2）に沿って、ディンプル状の突起90を設けることも可能である。この突起90は、荷重支持体82および冷却媒体の面内流束分布に悪影響を及ぼさないように、設置位置、寸法および間隔が設計される。この突起は例えばセパレータの対応する位置に設けられたディンプルであっても良い。これにより、シール部の締め付け荷重の均一性、および内部接着剤50の剥離防止効果をさらに高めることができる。
【００４４】
なお、本発明の適用に際して、荷重支持体が設置される位置近傍のシール材のコーナー部Rの形状に対する制約は、特にはない。従って、シール材のコーナー部Rは、いかなる形状であっても良く、例えば直角状であっても、曲線状であっても良い。
【００４５】
また前述の例では、本発明の特徴をメタルセパレータと樹脂フレームで構成される構造の燃料電池を例に説明した。この構造の場合、メタルセパレータの片面（表面）側のシール材には、ガスケット等が使用され、メタルセパレータの裏面側のシール材は、接着剤50となる。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、例えばカーボンセパレータ等、他の構成部材で構成される燃料電池においても利用することができる。
【００４６】
また上記実施例は、一体化シール材70を例に説明されたが、本発明は各開口毎に分離されたシール材についても適用することができる。
【００４７】
さらに上記実施例は、冷却媒体の流れるセパレータ表面を例に説明されたが、荷重支持体82は燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れるセパレータ表面でも同様に設置できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例による燃料電池スタックの側面図である。
【図２】本発明の実施例の燃料電池のMEA部分の拡大断面図である。
【図３】本発明による燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での単セルの分解斜視図である。
【図４】従来のシール構造配置を示す上面図である。
【図５】図4のB-B断面の拡大図である。
【図６】従来のシール構造を有するセパレータの積層断面図の一部である。
【図７】本発明によるシール材配置の拡大図である。
【図８】本発明によるシール材配置の拡大図であって、荷重支持体の設置位置を示す図である。
【図９】図7のF-F断面の拡大図である。
【図１０】本発明の荷重支持体の別の形態を示す図である。
【図１１】本発明の荷重支持体のさらに別の形態を示す図である。
【図１２】本発明のシール構造の別の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
10    燃料電池
11    電解質膜
12    触媒層
13    拡散層
14    アノード電極
15    触媒層
16    拡散層
17    カソード電極
18A   セパレータの第1の部材（メタルセパレータ）
18B   セパレータの第2の部材（メタルセパレータ）
18C   第1の樹脂フレーム
18D   第2の樹脂フレーム
19    モジュール
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    焼結部材（テンションプレート）
25    ボルトまたはナット
26    冷却媒体流路
27    燃料ガス流路
28    酸化剤ガス流路
29    燃料電池反応部
30    対向部
31    対向部
32a   入口側の冷却媒体開口
32b   出口側の冷却媒体開口
33a   入口側の燃料ガス開口
33b   出口側の燃料ガス開口
34a   入口側の酸化剤ガス開口
34b   出口側の酸化剤ガス開口
50    接着剤
70    一体化シール材
75    閉止シール
80    部分開放シール
82    荷重支持体
84    閉止シールと部分開放シールの連結部分
90    突起。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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