(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータの平面上にガス供給または排出用のマニホールド穴およびガス流路を設けるとともにこれらをそれぞれ仕切るよう堰部を設け、前記マニホールド穴およびガス流路間の堰部に前記堰部を横切るガス通路として複数の溝よりなる流路を設け、前記複数の溝よりなる流路の上面に取付用凹部を設け、前記取付用凹部にプレート状ブリッジ部材を組み合わせ、前記取付用凹部に組み合わせたブリッジ部材はその上面が前記堰部の上面と面一状に並べられ、前記堰部のうち前記取付用凹部を設けた以外の部分にシール材装着溝を設けた固体高分子型燃料電池に組み付けられるシール材であって、
当該シール材は、シール材装着溝に装着される部分と、ブリッジ部材上に配置される部分とを有し、
前記シール材装着溝に装着される部分は、装着時にシール材装着溝内に配置される溝内部分と、シール材装着溝から突出して少なくともその一部で相手材に密接する突出部分とを有し、
前記ブリッジ部材上に配置される部分は、前記シール材装着溝に装着される部分における突出部分と同じ断面形状を呈してこの突出部分と連続的に成形された連続部分のみを有することを特徴とする燃料電池用シール材。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用シール材において、
当該シール材におけるブリッジ部材上に配置される部分の側部に、ブリッジ部材に対する接触面積を増大させるためのつば部が一体成形されていることを特徴とする燃料電池用シール材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の構成要素の一つをなす燃料電池用シール材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と電極とが一体となった所謂膜電極接合体の両側に、導電性材料よりなるセパレータが配置された単セルが多数積層された構造となっている。
【０００３】
この固体高分子電解質膜または膜電極接合体の燃料極、酸化剤極の両側へそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスを効率良く供給し、ガスリークをなくすために、また目的のガス以外の流体が流入しないように、膜電極接合体とセパレータとの間にシール材が配置されるのが一般的な構造である。
【０００４】
ここで、膜電極接合体を介して燃料極側と酸化剤極側に配置されるシール材はそれぞれ、燃料極側では燃料供給口および排出口、酸化剤極側では酸化剤供給口および排出口とセパレータ面との間（以下、ガス導入部または単に導入部とも称する）に各ガスがスムーズに流れるために、原則としてシールのない形状としなければならない。
【０００５】
しかしながら、膜電極接合体を介して配置されるセパレータはそれぞれが積層し、燃料供給用および排出用、酸化剤供給用および排出用のマニホールド穴が貫通した形状となる。
【０００６】
また、ここに配置されるシール材は、燃料極側では酸化剤の供給用および排出用のマニホールド穴を、酸化剤極では燃料の供給用および排出用のマニホールド穴を完全に囲いシールしなければならない。
【０００７】
すなわち、このような構成においては、膜電極接合体を介して両極側のシール材形状が、各々のマニホールド穴からセパレータ導入部の部分で一方の極ではシール部分があり、他方の極ではシール部のない状態で向き合ってしまう。
【０００８】
したがって、このような形状にてスタックを積層した場合、膜を介して片方だけに存在するシール部は十分な反力を得ることができず、その結果として、セパレータと膜電極接合体間でシールすべきマニホールド穴部からシール漏れを起こしてしまう。
【０００９】
この問題を解決するため、特開２００１−６６９５号公報には、セパレータのマニホールド穴からプレート面へまたはその逆向きに導入する部分の溝部に、溝部とほぼ等しい大きさの中空体を設置し、更にこの上にシート状シール材を配置し、膜電極接合体を介して反対極にあるシート状シール材との間で面圧を確保するようにした技術が記載されている。
【００１０】
しかしながら、この従来技術は、使用するシール材をシート状のものに限定したものである。
【００１１】
けだし、例えば当該従来技術の一実施例のように溝部にパイプ状の中空体を配置したならば、Ｏリング等のスクィーズ状シール材を装着した場合に十分な面圧を確保することができない。
【００１２】
したがって、この従来技術は、使用可能なシール材をシート状のものに限定したものとなるが、シート状のシール材はその厚さがシート全面に亙って均一に形成されているために、数百セルも積層したセルスタックにおいては反力が大きくなり、また通電面積が制約され易い等の点で好ましくなく問題である。
【００１３】
また、本願発明者らは先に、図７に示すように、セパレータ５１に設けたガス導入部の溝５２がトンネル状となるようにセパレータ５１にプレート状のブリッジ部材５３を嵌め込むとともに、セパレータ５１およびブリッジ部材５３上に射出成形等によってシール材５４を一体成形する技術を案出しており、この先行技術によれば、セルを積層した場合に発生する反力を適切な大きさに抑えることができ、通電面積においてもシート状シール材方式と比較すると自由度が増す。
【００１４】
しかしながら、この先行技術では、上記したようにシール材の種類として、セパレータ５１およびブリッジ部材５３に対して一体成形される一体成形型のシール材の利用を想定しているために、予め別途成形されるＯリング等のスクィーズ状シール材を利用するには、なお改良の余地がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点に鑑みて、セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル状となるようにセパレータにブリッジ部材を組み合わせるとともにセパレータおよびブリッジ部材上にシール材を配置するブリッジ式シールにおいて、Ｏリング等のスクィーズ状シール材（ガスケット）を利用可能とすることを目的とする。また、スタック組立時にシール材の全長に亙って適切な大きさの反力を発生させることができ、安定してセルを積層することができる燃料電池用シール材を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１による燃料電池用シール材は、セパレータの平面上にガス供給または排出用のマニホールド穴およびガス流路を設けるとともにこれらをそれぞれ仕切るよう堰部を設け、前記マニホールド穴およびガス流路間の堰部に前記堰部を横切るガス通路として複数の溝よりなる流路を設け、前記複数の溝よりなる流路の上面に取付用凹部を設け、前記取付用凹部にプレート状ブリッジ部材を組み合わせ、前記取付用凹部に組み合わせたブリッジ部材はその上面が前記堰部の上面と面一状に並べられ、前記堰部のうち前記取付用凹部を設けた以外の部分にシール材装着溝を設けた固体高分子型燃料電池に組み付けられるシール材であって、当該シール材は、シール材装着溝に装着される部分と、ブリッジ部材上に配置される部分とを有し、前記シール材装着溝に装着される部分は、装着時にシール材装着溝内に配置される溝内部分と、シール材装着溝から突出して少なくともその一部で相手材に密接する突出部分とを有し、前記ブリッジ部材上に配置される部分は、前記シール材装着溝に装着される部分における突出部分と同じ断面形状を呈してこの突出部分と連続的に成形された連続部分のみを有することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の請求項２による燃料電池用シール材は、上記した請求項１記載の燃料電池用シール材において、当該シール材におけるブリッジ部材上に配置される部分の側部に、ブリッジ部材に対する接触面積を増大させるためのつば部が一体成形されていることを特徴とするものである。
【００２０】
Ｏリング等のスクィーズ状シール材（ガスケット）は、取付部材（本願発明の場合はセパレータ）に予め設けられるシール材装着溝に装着され、その断面（高さ）の一部が装着溝から突出して相手部材に密接することによりシール作用をなすものである。したがって、その断面（高さ）の全部ではなく一部のみが装着溝から突出した状態で装着されるために、断面（高さ）の全部が取付部材および相手部材間に配置され挟圧されるシート状シール材と違って、スタック積層時に発生する反力の大きさを低減できるものである。
【００２１】
しかしながら、ここで留意すべきは、上記ブリッジ式シールにおいて、セパレータにはこれが比較的厚いために装着溝を形成することができるが、プレート状ブリッジ部材にはこれが比較的薄いために装着溝を形成することができない。したがって仮にシール材の断面形状（高さ）をその全長に亙って同じに形成するとブリッジ部材上に配置される部分は断面（高さ）の全部がブリッジ部材上に配置され、セパレータの装着溝に装着される部分との間にシール面の高低差を生じてしまう。
【００２２】
そこで、本発明の請求項１によるシール材においては、シール材の断面形状をブリッジ部材上に配置される部分のみ異形断面とすることにより、装着時に上記高低差が生じるのを実質的に防止するものである。
【００２３】
したがって、ここに異形断面とは、該部（ブリッジ部材上に配置される部分（ガス導入部に配置する箇所））の断面形状が他の部分（セパレータの装着溝に装着される部分）の断面形状と異なるように形成されることであるが、より具体的には、セパレータの一面に設けた装着溝と、セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル状となるようにセパレータの一面に組み合わせたブリッジ部材上とに連続して配置されるシール材において、装着溝に装着される部分は、装着時に装着溝内に配置される溝内部分と、装着溝から突出して少なくともその一部で相手材に密接する突出部分とを有しており、これに対してブリッジ部材上に配置される部分は、上記突出部分と同じ断面形状を呈して上記突出部分と連続的に成形されている部分のみを有することになる。
【００２４】
またこれに加えて、請求項２に記載したように、ブリッジ部材上に配置される部分の側部につば部を一体成形すると、ブリッジ部材上に配置される部分のブリッジ部材に対する接触（着座）姿勢を安定化させることが可能となる。
【００２５】
尚、本件出願には、以下の技術的事項が含まれる。
【００２６】
すなわち、上記目的を達成するため、本件出願が提案する一の発明は、セパレータの燃料極および酸化剤極の膜電極接合体側および冷却側に配置されるＯリング方式によるシールについての発明であり、その実施形態として以下の内容を備えている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
Ｏリング方式では一般にセパレータと一体成形でない場合、セパレータにシール材を配置する溝部が構成されるが、上述した各極のブリッジ構造となっている燃料供給用流路および燃料排出用流路についてのみプレート上およびその前後となるセパレータ上はシール材のための溝加工がなく、したがってこの部分のみシール材断面が溝部に収まる部分がない異形断面構造となっている（シール材異形断面部）。本シール材の断面は円状には限定されず、楕円状、矩形状、多角形状など、様々な形状が考えられる。また、本Ｏリング方式ではセパレータに配置されたとき、電解質膜に当接する部分は、セパレータ溝に収まる部分（以下、シール材全形断面部または全形断面部とも称する）とブリッジ部の異形断面部とも当然同一の高さになっているが、全形断面部と異形断面部の厚み（高さ）の違いをどのくらいに設定すれば良いか等は、セパレータ溝深さ等によって異なり、一概には言えないが全形断面高さ：異形断面高さ＝１０：３〜１０：７の範囲内にするのが良く、好ましくは１０：４〜１０：６である。更に、ブリッジ部分異形断面部のプレートと当接する部分につば部を持つ構造とすることにより、プレートとＯリングが安定に当接され、適正な反力を得ることができる。つば部の幅（大きさ）はセパレータ上に構成されるプレートの幅にもよるが、全形断面部の幅：（全形断面部＋つば部）の幅＝１：２以下が好ましい。
【００２８】
以上のような構造をもつＯリング方式シール材を用いることにより、膜電極接合体に当接する両極のシール材は全ての面で膜を介して向き合うことになり、適正な反力を得ることができ、安定してセルを積層することができる。すなわちこのような構成にすることにより、セルのスタックが均等に面圧が確保され、発電効率を上げることができる。
【００２９】
【実施例】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施例に係るシール材（燃料極側シール材）１４を装着したセパレータ（燃料極側セパレータ）１の平面を示しており、そのＡ−Ａ線拡大断面図が図２に示されている。また、図３は図１におけるＢ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線拡大断面図であって、膜電極接合体２１、酸化剤極側セパレータ２５および酸化剤極側シール材２６等を組み合わせた状態の断面を示し、すなわちこの図３は燃料電池セル単位の断面を示している。
【００３１】
先ず、セパレータ１は以下のように構成されている。
【００３２】
すなわち先ず、このセパレータ１の平面隅部に燃料供給用マニホールド穴２および燃料排出用マニホールド穴３がセパレータ１を厚さ方向に貫通するよう対をなして設けられており、セパレータ１の一面において燃料供給用マニホールド穴２から平面中央の燃料流路４を経由して燃料排出用マニホールド穴３へ燃料ガスが流通するように、燃料供給用マニホールド穴２および燃料流路４間の堰部５にガス導入部６としての燃料供給用流路７が設けられるとともに、燃料流路４および燃料排出用マニホールド穴３間の堰部８にも同じくガス導入部６としての燃料排出用流路９が設けられている。この燃料供給用流路７におけるブリッジ部材１１およびシール材１４を用いたシール構造（ブリッジ式シール）と、燃料排出用流路９におけるブリッジ部材１１およびシール材１４を用いたシール構造（ブリッジ式シール）とは同じ構成であるため、以下前者についてのみ説明する。
【００３３】
すなわち、ガス導入部６である燃料供給用流路７に複数（図では六本）の溝１０が堰部５を横切るガス通路として互いに平行に設けられており、各溝１０をトンネル状にすべく燃料供給用流路７の上面に樹脂製または金属製のプレート状のブリッジ部材１１が組み合わされている。
【００３４】
複数の溝１０よりなる燃料供給用流路７の上面には、このブリッジ部材１１を組み合わせるための取付用凹部１２が設けられており、この取付用凹部１２の深さとブリッジ部材１１の厚さとが調整されることにより、ブリッジ部材１１は取付用凹部１２に組み合わされた状態でその上面がセパレータ１の堰部５の上面と面一状ないし略面一状に並べられている。また、セパレータ１の堰部５において燃料供給用流路７および取付用凹部１２を設けた以外の部分にはその全長に亙って断面矩形状のシール材装着溝１３が設けられている。
【００３５】
シール材１４は、所定のゴム材料によって図１に示すような平面形状に形成されているが、このシール材１４はその断面形状が、装着溝１３に装着される部分１５とブリッジ部材１１上に配置される部分１６とで互いに異なるように形成されている。
【００３６】
すなわち、前者の装着溝１３に装着される部分１５は、図４（Ａ）に示すように、装着時に装着溝１３内に配置される溝内部分１５ａと、装着溝１３から突出して少なくともその一部で相手材（膜電極接合体２１の電解質膜２２）に密接する突出部分１５ｂとを有するように成形されており、図ではこの前者部分１５の断面形状が溝内部分１５ａおよび突出部分１５ｂの組み合わせにより円形に形成されている。この前者部分１５はこれを全形断面部とも称する。
【００３７】
これに対して、後者のブリッジ部材１１上に配置される部分１６は、図４（Ｂ）に示すように、前者部分１５の突出部分１５ｂと同じ断面形状を呈してこの突出部分１５ｂと連続的に成形されている連続部分１６ａのみを有するように成形されており、図ではこの後者部分１６の断面形状が前者部分１５の突出部分１５ｂと同じく弓弦形に形成されている。この後者部分１６はこれを異形断面部とも称する。
【００３８】
また、同図に示すように、この異形断面部１６の側部両側にはそれぞれ、ブリッジ部材１１に対するこの異形断面部１６の接触面積を増大させるために平板状のつば部（リップ部とも称する）１７が全長に亙って一体成形されている。
【００３９】
尚、セパレータ１には、図１に示すように、酸化剤供給用マニホールド穴１８および酸化剤排出用マニホールド穴１９がセパレータ１を厚さ方向に貫通するように対をなして設けられているが、これらは燃料流路４に連通するものではないため、これらの回りのシール材１４は全周に亙って全形断面部１５によって構成されている。
【００４０】
全体を符号２１で示す膜電極接合体は、電解質膜２２、燃料極側電極およびガス拡散層２３ならびに酸化剤極側電極およびガス拡散層２４の組み合わせによって構成されており、電解質膜２２の一面に対してシール材１４が密接する。
【００４１】
また、図３における図上上側の酸化剤極側セパレータ２５およびこれに組み付けられる酸化剤極側シール材２６は、燃料ガスではなく酸化剤ガスを流通させるものであるため、図示はしないが酸化剤供給用マニホールド穴および酸化剤排出用マニホールド穴において、上記と同様なブリッジ式シールを有している。
【００４２】
上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体２１の電解質膜２２に当接する両極のシール材１４，２６が電解質膜２２を介して全面で向き合って欠けるところがないために、スタック組立時にシール材１４の全長に亙って適切な大きさの反力を発生させることができ、安定してセルを積層することができる。したがって、シール性および組立作業性を向上させることができ、これらの作用効果を上記したブリッジ式シールでＯリング等のスクィーズ状シール材（ガスケット）を利用するものにおいて実現することができる。
【００４３】
また、装着溝１３に装着されずにブリッジ部材１１上に配置される異形断面部１６の側部両側にそれぞれ、ブリッジ部材１１に対するこの異形断面部１６の接触面積を増大させるための平板状のつば部１７が全長に亙って一体成形されているために、ブリッジ部材１１に対するこの異形断面部１６の接触（着座）姿勢を安定化させ、適切な大きさの反力を発生させ、該部シール性を向上させることができる。
【００４４】
尚、シール材１４における全形断面部１５の断面形状は、図４に示したＯリング状の円形に限られず、例えば図５に示すような矩形状（図では正方形）や、図６に示すような多角形状（図では六角形）等であっても良く、何れの場合も異形断面部１６は全形断面部１５の一部断面形状に形成される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００４６】
すなわち、上記構成を備えた本発明の請求項１によるシール材においては、当該シール材における装着溝に装着される部分を溝内部分と突出部分との組み合わせにするとともに当該シール材におけるブリッジ部材上に配置される部分を上記突出部分と同じ断面形状を呈して突出部分と連続的に成形された部分のみとしたために、スタック組立時にシール材の全長に亙って適切な大きさの反力を発生させることができ、安定してセルを積層することができる。したがって、シール性および組立作業性を向上させることができる。
【００４７】
またこれに加えて、上記構成を備えた本発明の請求項２によるシール材においては、当該シール材におけるブリッジ部材上に配置される部分の側部にブリッジ部材に対する接触面積を増大させるつば部が一体成形されているために、上記部分のブリッジ部材に対する接触（着座）姿勢を安定化させ、適切な大きさの反力を発生させ、該部シール性を向上させることができる。
【００５０】
また上記したように、本発明のシール材は、セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル状となるようにセパレータにブリッジ部材を組み合わせるとともにセパレータおよびブリッジ部材上にシール材を配置するブリッジ式シールにおいて、Ｏリング等のスクィーズ状シール材（ガスケット）を利用可能としたものでもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るシール材を装着したセパレータの平面図
【図２】図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図
【図３】上記シール材およびセパレータを含む燃料電池セルの断面図
【図４】（Ａ）は上記シール材における全形断面部の断面形状説明図、（Ｂ）は上記シール材における異形断面部の断面形状説明図
【図５】（Ａ）は全形断面部の断面形状の他の例を示す説明図、（Ｂ）は異形断面部の断面形状の他の例を示す説明図
【図６】（Ａ）は全形断面部の断面形状の他の例を示す説明図、（Ｂ）は異形断面部の断面形状の他の例を示す説明図
【図７】燃料電池用ブリッジ型シールの説明図
【符号の説明】
１  燃料極側セパレータ（セパレータ）
２  燃料供給用マニホールド穴
３  燃料排出用マニホールド穴
４  燃料流路
５，８  堰部
６  ガス導入部
７  燃料供給用流路
９  燃料排出用流路
１０  溝
１１  プレート状のブリッジ部材
１２  プレート状のブリッジ部材取付用凹部
１３  シール材装着溝
１４  燃料極側シール材（シール材）
１５  シール装着溝に装着される部分（全形断面部）
１５ａ  溝内部分
１５ｂ  突出部分
１６  プレート状のブリッジ部材上に配置される部分（異形断面部）
１６ａ  連続部分
１７  つば部
１８  酸化剤供給用マニホールド穴
１９  酸化剤排出用マニホールド穴
２１  膜電極接合体
２２  電解質膜
２３  燃料極側電極およびガス拡散層
２４  酸化剤極側電極およびガス拡散層
２５  酸化剤極側セパレータ
２６  酸化剤極側シール材
【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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