(57)【要約】【課題】簡単な構成で、シール部材のシール交差部に過大な線圧が付与されることを良好に抑制し、シール性を確実に維持して所望の発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、第１金属セパレータ１８を備えるとともに、前記第１金属セパレータ１８には、第１シール部材５０が一体成形される。第１シール部材５０は、線状シール５２ａ〜５２ｇを有するとともに、前記線状シール５２ａ〜５２ｇ同士が交差して連結されるシール交差部５４ａ〜５４ｈは、前記線状シール５２ａ〜５２ｆの前記シール交差部５４ａ〜５４ｈを除く部分よりも、弾性率が低い材料で形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体をシールするためのシール部材が一体成形される燃料電池であって、
前記シール部材は、２以上の線状シール同士が交差して連結されるシール交差部を有し、
前記シール交差部は、前記シール部材を構成する他の線状シールよりも弾性率が低い材料で形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体をシールするためのシール部材が一体成形される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、アノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セル（発電セル）を備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００４】
その際、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をそれぞれ気密（液密）に保持するために、種々のシール部材が採用されている。例えば、特許文献１に開示されているシール部材では、図９に示すように、電解質膜・電極構造体（隔膜電極及びシール集成体）を構成する多孔質の導電性シート材料１を備えている。
【０００５】
導電性シート材料１は、一の角部に空気入口２ａ及び空気出口２ｂが設けられるとともに、別の角部に水素入口３ａ及び水素出口３ｂが設けられる。水素入口３ａ及び水素出口３ｂと対角になる角部には、冷却水入口４ａ及び冷却水出口４ｂが形成される。導電性シート材料１には、中実のガスケット５が埋め込まれており、このガスケット５は、燃料電池積層体を組み立てることによってチャンネル６内に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０４５３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記のガスケット５は、導電性シート材料１の外周を囲繞する線状シール５ａを備えるとともに、この線状シール５ａには、他の線状シール５ｂが交差して連結されている。このため、ガスケット５によるシール面内中には、線状シール５ａ、５ｂのシール交差部５ｃが存在している。
【０００８】
しかしながら、ガスケット５が圧縮される際、シール交差部５ｃに局部的な線圧や面圧の増加が惹起されるおそれがある。これにより、導電性シート材料１の変形やシール性能の低下が発生するという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材のシール交差部に過大な線圧が付与されることを良好に抑制し、シール性を確実に維持して所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータには、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体をシールするためのシール部材が一体成形される燃料電池に関するものである。
【００１１】
この燃料電池では、シール部材は、２以上の線状シール同士が交差して連結されるシール交差部を有し、前記シール交差部は、前記シール部材を構成する他の線状シールよりも弾性率が低い材料で形成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、２以上の線状シール同士が交差して連結されるシール交差部は、他の線状シールよりも弾性率が低い（ゴム硬度が低い）材料で形成されている。このため、シール部材が圧縮される際に、シール交差部の線圧や面圧が上昇することがなく、前記シール部材全体の線圧差（面圧差）を良好に低減させることができる。
【００１３】
これにより、シール部材のシール交差部に過大な線圧が付与されることを良好に抑制し、シール部材全体のシール性を確実に維持して所望の発電性能を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。
【図４】前記第１金属セパレータに設けられる第１シール部材の要部説明図である。
【図５】前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図７】前記第１シール部材を射出成形するための金型装置の一部を示す部分断面図である。
【図８】前記金型装置を構成する第１金型の平面説明図である。
【図９】特許文献１に係るシール部材の正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。この燃料電池スタック１２は、例えば、車載用として燃料電池電気自動車に搭載される。
【００１６】
図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端に、エンドプレート１４ａ、１４ｂを配置する。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、又は、前記エンドプレート１４ａ、１４ｂを端板として含むボックス内に複数の燃料電池１０を収容することにより、前記燃料電池１０には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６が、第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０に挟持される。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、例えば、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄い金属板を波状にプレス成形して構成されており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定されている。
【００１８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１９】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード電極３８及びカソード電極４０とを備える。
【００２１】
アノード電極３８及びカソード電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。
【００２２】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路４２が設けられる。第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路４４が形成される。
【００２３】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。冷却媒体流路４６は、酸化剤ガス流路４２の裏面形状と燃料ガス流路４４の裏面形状とが重なり合って形成され、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００２４】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周縁部を周回して第１シール部材５０が設けられる。第１シール部材５０は、面１８ａ側に設けられる表面が平坦形状の平坦シール５０ａと、面１８ｂ側に設けられる平坦シール５０ｂとを有する。
【００２５】
図３に示すように、平坦シール５０ａには、酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通させて第１金属セパレータ１８の面１８ａの外周縁部を周回する線状シール５２ａが膨出形成される。線状シール５２ａには、酸化剤ガス流路４２から燃料ガス入口連通孔３４ａを遮断するための線状シール５２ｂが連結される。線状シール５２ｂと線状シール５２ａとには、酸化剤ガス流路４２から冷却媒体入口連通孔３２ａを遮断するための線状シール５２ｃが連結される。
【００２６】
同様に、線状シール５２ａには、酸化剤ガス流路４２から燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するための線状シール５２ｄと、冷却媒体出口連通孔３２ｂを前記酸化剤ガス流路４２から遮断するための線状シール５２ｅとが連結される。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍では、酸化剤ガスの流れを整流する線状シール５２ｆ、５２ｇが線状シール５２ａに連結される。
【００２７】
第１シール部材５０の矢印Ｂ方向一端側には、線状シール５２ａと線状シール５２ｂとが交差して連結されるシール交差部５４ａ、前記線状シール５２ｂと線状シール５２ｃとが交差して連結されるシール交差部５４ｂ、前記線状シール５２ｃと前記線状シール５２ａが交差して連結されるシール交差部５４ｃ、及び前記線状シール５２ａと線状シール５２ｇが交差して連結されるシール交差部５４ｄが設けられる。
【００２８】
第１シール部材５０の矢印Ｂ方向他端側には、線状シール５２ａと線状シール５２ｄが交差して連結されるシール交差部５４ｅ、前記線状シール５２ｄと線状シール５２ｅが交差して連結されるシール交差部５４ｆ、前記線状シール５２ｅと前記線状シール５２ａが交差して連結されるシール交差部５４ｇ、及び前記線状シール５２ａと線状シール５２ｆが交差して連結されるシール交差部５４ｈが設けられる。
【００２９】
シール交差部５４ａ〜５４ｈは、同様に構成されており、以下、シール交差部５４ａについて詳細に説明し、他のシール交差部５４ｂ〜５４ｈについての詳細な説明は省略する。
【００３０】
図４に示すように、シール交差部５４ａでは、線状シール５２ａ、５２ｂの各中心線のなす内角θが、４０°〜９０°の範囲内、より好適には６０°〜９０°の範囲内に設定される。一方の線状シール５２ｂは、他方の線状シール５２ａに湾曲して連結されており、その曲率半径Ｒは、６．０ｍｍ〜９．０ｍｍに設定される。線状シール５２ｂの連結部分のシール幅は、線状シール５２ａのシール幅と略同一に設定されることにより、線状シール５２ｂ、５２ａ同士の干渉を回避している。
【００３１】
第１シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が使用される。
【００３２】
第１シール部材５０において、シール交差部５４ａ〜５４ｈは、線状シール５２ａ〜５２ｇの前記シール交差部５４ａ〜５４ｈを除く部分（他の線状シール）よりも弾性率が低い材料で形成される。例えば、シリコンゴムが使用される際には、シリコン材料の配合条件を変更させたり、硬化条件を変更させたりすることにより、ゴム硬度（弾性率）を変更させている。また、例えば、ＮＢＲが使用される際には、アクリロニトリル含有量を変更させることにより、弾性率を変更させることができる。
【００３３】
図５に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、表面が平坦形状の平坦シール５０ｂには、冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通させて第１金属セパレータ１８の面１８ｂの外周縁部を周回する線状シール６４ａが膨出形成される。
【００３４】
線状シール６４ａには、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するための線状シール６４ｂ、６４ｃと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するための線状シール６４ｄ、６４ｅと、前記線状シール６４ｂ〜６４ｅに連結される線状シール６４ｆとが連結される。線状シール６４ａ〜６４ｆには、互いに交差して連結されるシール交差部６５が設けられる。シール交差部６５は、上記のシール交差部５４ａと同様に構成される。
【００３５】
図６に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周縁部を周回して第２シール部材６６が設けられる。第２シール部材６６は、面２０ａ側に設けられる表面が平坦形状の平坦シール６８ａと、面２０ｂ側に設けられる表面が平坦形状の平坦シール６８ｂとを有する。
【００３６】
平坦シール６８ａには、燃料ガス流路４４と燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂとを連通させて第２金属セパレータ２０の面２０ａの外周縁部を周回する線状シール７０ａが膨出形成される。
【００３７】
線状シール７０ａには、燃料ガス流路４４から酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するための線状シール７０ｂ、７０ｃと、前記燃料ガス流路４４から冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂを遮断するための線状シール７０ｄ、７０ｅと、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂの近傍に連結される線状シール７０ｆとが連結される。線状シール７０ａ〜７０ｆには、互いに交差して連結されるシール交差部７１が設けられる。シール交差部７１は、上記のシール交差部５４ａと同様に構成される。
【００３８】
図１に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、平坦シール６８ｂには、冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通させて第２金属セパレータ２０の面２０ｂの外周縁部を周回する線状シール７２ａが膨出形成される。
【００３９】
線状シール７２ａには、冷却媒体流路４６から酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを遮断するための線状シール７２ｂ、７２ｃと、前記冷却媒体流路４６から燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを遮断するための線状シール７２ｄ、７２ｅと、前記線状シール７２ｂ〜７２ｅに連結される線状シール７２ｆとが連結される。線状シール７２ａ〜７２ｆには、互いに交差して連結されるシール交差部７４が設けられる。シール交差部７４は、上記のシール交差部５４ａと同様に構成される。
【００４０】
次いで、第１金属セパレータ１８の製造方法について、以下に説明する。なお、第２金属セパレータ２０は、第１金属セパレータ１８と同様に製造されるため、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
第１金属セパレータ１８では、先ず、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する金属プレート１８Ｐが成形される。この金属プレート１８Ｐは、図７に示すように、射出成形用金型装置８０に装着される。金型装置８０は、第１金型８２及び第２金型８４を備えるとともに、前記第１金型８２と前記第２金型８４との間には、型締め時にキャビティ８６が形成される。
【００４２】
キャビティ８６には、金属プレート１８Ｐに第１シール部材５０を射出成形により一体成形するために、溶融樹脂が充填される。図８に示すように、第１金型８２には、シール交差部５４ａ〜５４ｈを成形するために、前記シール交差部５４ａ〜５４ｈに対応する位置に第１の溶融樹脂を充填する第１ゲート部８８ａ〜８８ｈが設けられる。
【００４３】
第１金型８２には、第１シール部材５０のシール交差部５４ａ〜５４ｈ以外の部分に第２の溶融樹脂を充填する第２ゲート部９０が、例えば、キャビティ８６の重心近傍に設けられる。第２ゲート部９０は、シール交差部５４ａ〜５４ｈ以外の膨出部に複数個設けてもよい。第１の溶融樹脂は、第２の溶融樹脂よりも弾性率が低い材料を使用する。なお、第２金型８４は、上記の第１金型８２と同様に構成されていてもよい。
【００４４】
そこで、金型装置８０では、キャビティ８６に金属プレート１８Ｐが配置されて型締めされた状態で、第１ゲート部８８ａ〜８８ｈに第１の溶融樹脂が供給される。このため、第１ゲート部８８ａ〜８８ｈからシール交差部５４ａ〜５４ｈに第１の溶融樹脂が充填される。
【００４５】
次に、シール交差部５４ａ〜５４ｈで第１の溶融樹脂が、例えば、半硬化された後、第２ゲート部９０に第２の溶融樹脂が供給される。従って、キャビティ８６には、シール交差部５４ａ〜５４ｈ以外の部分に第２の溶融樹脂が充填される。第１の溶融樹脂と第２の溶融樹脂との境界部位には、両方の樹脂が混在する領域が形成される。
【００４６】
そして、第１の溶融樹脂及び第２の溶融樹脂が硬化することにより、金属プレート１８Ｐの一方の面（１８ａ）には、平坦シール５０ａ及び線状シール５２ａ〜５２ｇが一体成形される。
【００４７】
また、金属プレート１８Ｐの他方の面（１８ｂ）には、同様に平坦シール５０ｂ及び線状シール６４ａ〜６４ｆが一体成形される。これにより、金属プレート１８Ｐには、第１シール部材５０が一体成形されて、第１金属セパレータ１８が製造される。
【００４８】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４９】
先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６のカソード電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６のアノード電極３８に供給される。
【００５１】
従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、アノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５３】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００５４】
この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１金属セパレータ１８を構成する第１シール部材５０において、線状シール５２ａ〜５２ｇ同士が交差して連結されるシール交差部５４ａ〜５４ｈは、前記線状シール５２ａ〜５２ｇの前記シール交差部５４ａ〜５４ｈを除く部分よりも、弾性率が低い材料で形成されている。
【００５５】
このため、第１シール部材５０が圧縮される際に、シール交差部５４ａ〜５４ｈの線圧や面圧が上昇することがなく、前記第１シール部材５０全体の線圧差（面圧差）を良好に低減させることができる。
【００５６】
これにより、第１シール部材５０のシール交差部５４ａ〜５４ｈに過大な線圧が付与されることを良好に抑制し、前記第１シール部材５０全体のシール性を確実に維持して所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
なお、第２金属セパレータ２０に一体成形された第２シール部材６６おいても、上記の第１シール部材５０と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池                      １２…燃料電池スタック
１６…電解質膜・電極構造体          １８、２０…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔          ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔          ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜            ３８…アノード電極
４０…カソード電極                  ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路                  ４６…冷却媒体流路
５０、６６…シール部材
５２ａ〜５２ｇ、６４ａ〜６４ｆ、７０ａ〜７０ｆ、７２ａ〜７２ｆ…線状シール
５４ａ〜５４ｈ、６５、７１、７４…シール交差部
８０…金型装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013145713.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2013145713.tif 000009
【図８】
2013145713.tif 000010
【図９】
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