(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、異ならせたシール構造を有する燃料電池。
【請求項２】
電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、電解質膜の厚さに応じて異ならせた請求項１記載のシール構造を有する燃料電池。
【請求項３】
電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域での間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれない領域での間隔より、電解質膜の厚さ分、大とした請求項２記載のシール構造を有する燃料電池。
【請求項４】
単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、セパレータのシール面が、セパレータのシール面の内周側部分である電解質膜を挟む領域のセパレータのシール面部分と、セパレータのシール面の外周側部分である電解質膜を挟まない領域のセパレータのシール面部分とを有しており、セパレータのシール面の電解質膜を挟む領域のシール面部分に、電解質膜があるために電解質膜がない領域より液状シール材に過大な荷重がかかってシール面からはみ出そうとする余剰液状シール材料を流れ込ませる、シール材料溜まりの窪みを形成した、シール構造を有する燃料電池。
【請求項５】
単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、電解質膜を挟んで対向するセパレータの外形サイズを異ならせることによりセパレータ外面部にシール材料溜まりを形成したシール構造を有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シール構造を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極、−極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極、＋極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（アノードガス、水素）および酸化ガス（カソードガス、酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセル（単セル）を構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート、締結部材はスタック構成部材の一部）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。スタック内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの流路からの洩れを防止するために、セル間はシールされる。
特開平１１−１５４５２２号公報は、セパレータ間をシールするのに液状シール材を利用することを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の液状シールには、液状シールのため均一なシール性が確保できないという課題がある。
より詳しくは、電解質がある部分の無い部分とでは電解質厚さ分シール材の厚さが変わり、シール材にかかる荷重も変わり、均一なシール性を得ることが困難である。とくに、電解質膜がある部分では、過大な荷重がかかりシール面圧が大となりシール材クリープ量が大となって、時間の経過とともにシール面圧が下がり、その場合は、電極締め付け荷重が低下して、電池性能に悪影響を与える。
また、電解質膜がある領域か無い領域かによるシール材にかかる荷重の変化だけでなく、セパレータ、電極の形状精度やシール材料の塗布・成形加工精度のばらつきによっても、均一なシール面圧を得ることが困難となる。シール材料に過大な荷重がかけられる箇所ではシール材料がシール面からはみ出すことがあり、はみ出したシール材料によって流体流路の流路断面積が縮小し、場合によっては閉塞し、電池性能に悪影響を与える。
本発明の目的は、均一なシール性が確保できるシール構造を有する燃料電池を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、均一なシール性が確保でき、それによってシール材料が局部的に過大な荷重をかけられてシール面からはみ出すことを抑制できる、シール構造を有する燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、異ならせたシール構造を有する燃料電池。
（２）  電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、電解質膜の厚さに応じて異ならせた（１）記載のシール構造を有する燃料電池。
（３）  電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域での間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれない領域での間隔より、電解質膜の厚さ分、大とした（２）記載のシール構造を有する燃料電池。
（４）  単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、セパレータのシール面が、セパレータのシール面の内周側部分である電解質膜を挟む領域のセパレータのシール面部分と、セパレータのシール面の外周側部分である電解質膜を挟まない領域のセパレータのシール面部分とを有しており、セパレータのシール面の電解質膜を挟む領域のシール面部分に、電解質膜があるために電解質膜がない領域より液状シール材に過大な荷重がかかってシール面からはみ出そうとする余剰液状シール材料を流れ込ませる、シール材料溜まりの窪みを形成した、シール構造を有する燃料電池。
（５）  単セルを構成するセパレータ間に固体高分子の電解質膜の外周部位をシール材料を介して挟んで、セパレータ間、および電解質膜と該電解質膜の両側のセパレータ間をセパレータのシール面に塗布され固化後は弾性材となる液状シール材でシールしたシール構造を有する燃料電池であって、電解質膜を挟んで対向するセパレータの外形サイズを異ならせることによりセパレータ外面部にシール材料溜まりを形成したシール構造を有する燃料電池。
【０００５】
上記（１）〜（３）のシール構造を有する燃料電池では、電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、異ならせたので、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域のセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれない領域のセパレータのシール面の間隔に比べて、電解質膜の厚さ分大とすることにより、シール材料にかかる面圧を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、同じにすることができ、シール面全面にわたってシール性を均一化することができる。これにより、電解質膜がある領域だけシール材料のクリープが増したりクリープ速度が大となることもなくなり、電池性能が長期にわたって安定する。また、電解質膜がある領域のシール材料に、電解質膜が無い領域のシール材料に比べて過大な荷重がかかることもなくなるので、電解質膜がある領域のシール材料の流体流路へのはみ出しも抑制され、流体流路の流路断面積の減少や閉塞が防止される。
上記（４）のシール構造を有する燃料電池では、セパレータのシール面にシール材料溜まりの窪みを形成したので、電解質膜がある領域か無い領域かにより、あるいはセパレータ、電極の形状精度やシール材料の塗布・成形加工精度のばらつきにより、シール材に過大な荷重がかかる領域では、余剰シール材料は窪みに入り込み、逆にシール材にかかる荷重が少ない場合はシール材が窪みに入り込まないことによって、シール面圧が均一化する。これによって、上記（１）と同様に、電池性能が安定する。また、余剰シール材料が窪みに入ることにより、シール材料の流体流路へのはみ出しが無くなるか抑制され、はみ出しシール材料による流路断面積の減少や流路の閉塞が生じなくなる。また、燃料電池組立において、はみ出しシール材料の除去工程が不要になる。
また、窪みが、セパレータのシール面の内周側部分に形成されているので、シール材料の電解質膜側へのはみ出し、マニホールド等の流体流路へのはみ出し、等による不良の発生が無くなるかまたは抑制される。
上記（５）のシール構造を有する燃料電池では、電解質膜を挟んで対向するセパレータの外形サイズを異ならせることによりセパレータ外面部にシール材料溜まりを形成したので、シール材料のモジュール外へのはみ出しによる不良、たとえばはみ出しシール材料のセパレータ裏面への回り込みによるセパレータ積層時の平行度の狂い発生、等がなくなる。また、燃料電池組立において、はみ出しシール材料の除去工程が不要になる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のシール構造を有する燃料電池を図１〜図１６を参照して説明する。  図１〜図２は本発明の全実施例に共通するかまたは類似する構造を示し、
図３は本発明の実施例１を示し図４はその比較例を示し、
図５は本発明の実施例２を示し、
図６〜図８は本発明の実施例３を示し図９、図１０はその比較例を示し、
図１１、図１２、図１３は本発明の実施例４を示し図１４、図１５、図１６はその比較例を示す。
本発明の全実施例に共通するかまたは類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例に共通するかまたは類似する部分を、図１〜図３を参照して説明する。
【０００７】
本発明のシール構造が適用される燃料電池は、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、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、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および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極、−極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極、＋極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ、空気流路２７ｂ）および燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。
冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
【０００８】
図１に示すように、燃料電池スタック２３内には、冷媒マニホールド２８が設けられており、冷媒マニホールド２８はセルの冷媒流路２６に連通している。冷媒は入側の冷媒マニホールド２８から冷媒流路２６に流れ、冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド２８に流れる。
同様に、燃料電池スタック２３内には、ガスマニホールド２９が設けられており、ガスマニホールド２９は燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂとからなる。燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂは、それぞれ、セルの燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２７ｂに連通している。燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド２９ａからセルの燃料ガス流路２７ａに流れ、燃料ガス流路２７ａから出側の燃料ガスマニホールド２９ａに流れる。酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド２９ｂからセルの酸化ガス流路２７ｂに流れ、酸化ガス流路２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。
【０００９】
図１に示すように、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（プレッシャプレート３２、ばね機構３３が配される側と反対側にあるエンドプレート２２）には、冷媒（冷却水）を燃料電池スタック内の冷媒マニホールド２８に供給・排出する冷媒配管３０が接続されており、反応ガスを燃料電池スタック内のガスマニホールド２９に供給・排出するガス配管３１が接続されている。ガス配管３１は、燃料ガスを燃料電池スタック内の燃料ガスマニホールド２９ａに供給・排出する燃料ガス配管３１ａと、酸化ガスを燃料電池スタック内の酸化ガスマニホールド２９ｂに供給・排出する酸化ガス配管３１ｂとからなる。冷媒、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（ばね機構３３が配されている側と反対側にあるエンドプレート２２）から燃料電池スタックに入り、Ｕターンして、同じエンドプレート２２から出る。
スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート２１とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルにかかる荷重の変動を抑制している。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。図示例は、セパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画する。セパレータ１８は、また、導電性部材であり、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
【００１１】
図３に示すように、電解質膜１１の外周部位が単セルを構成する２つのセパレータ１８間にシール材料５０を介して挟まれており、シール材料５０によってセパレータ１８間および電解質膜１１とセパレータ１８間がシールされている。シール材料５０は、セパレータ１８のシール面５１に塗布された液状ガスケットからなり、乾燥・固化されて弾性材となり、シール面５１間にシール部５２を構成する。電解質膜１１はシール部５２の内周部位に存在し、電解質膜１１とセパレータ１８のシール面５１との間はシール材料５０によってシールされる。電解質膜１１はシール部５２の外周部位には無く、対向するセパレータ１８のシール面５１はシール材料５０によってシールされる。電極１４、１７は、シール部５２より内側にあり、シール部５２とは接触しない。シール材料５０はそれを挟むセパレータ１８間を電気的に絶縁しており、電気絶縁材、たとえば樹脂の接着剤からなる。シール部５２は、セルの周囲全長にわたって連続して延びている。たとえば、セルの形状が矩形状の場合、その矩形の４辺の全長にわたって連続して延びている。
【００１２】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図３に示すように、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８のシール面５１の間隔が、電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３と挟まれない領域５４とで、異ならせてある。
さらに詳しくは、電解質膜１１を挟んだ２つのセパレータ１８のシール面５１間の間隔は、電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３での間隔Ａ＋Ｃが、挟まれない領域５４での間隔Ａより電解質膜１１の厚さＢだけ大としてある。電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３でのシール材料５０の厚さはＡ＋Ｃ−Ｂ＝Ａ（ただし、Ｃ＝Ｂ）であり、電解質膜１１がセパレータにより挟まれない領域５４でのシール材料５０の厚さＡに等しい。
電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３でのセパレータ１８のシール面５１間の間隔の増分Ｃは、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８のシール面５１の何れか一方に深さＣの段差５５を形成するか、または双方のセパレータ１８のシール面５１に深さＣを割り振って（たとえば、１／２づつ）段差状に形成する。
【００１３】
図４の比較例（本発明に含まず）では、シール面に段差が形成されておらず、電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３での間隔Ａが、挟まれない領域５４での間隔Ａと等しい。電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３でのシール材料５０の厚さはＡ−Ｂ（ただし、Ｂは電解質膜の厚さ）であり、電解質膜１１がセパレータにより挟まれない領域５４でのシール材料５０の厚さＡに比べて電解質膜厚さＢだけ少ない。このため、締結荷重をかけると、電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３のシール材料が過大に押され、クリープが大きくまたクリープ速度が大となる。その結果、本来、電極部に必要な面圧を確保できなくない、電池性能が悪化するなどの問題が生じる。
【００１４】
本発明の実施例１のシール構造を有する燃料電池の作用、効果については、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８のシール面５１の間隔を、電解質膜１１がセパレータにより挟まれる領域５３と挟まれない領域５４とで、異ならせたので、電解質膜１１がセパレータ１８により挟まれる領域５３のセパレータのシール面５１の間隔を、電解質膜１１がセパレータ１８により挟まれない領域のセパレータ１８のシール面５１の間隔に比べて、電解質膜１１の厚さ分大とすることにより、シール材料５０にかかる面圧を、電解質膜１１がセパレータ１８により挟まれる領域５３と挟まれない領域５４とで、同じにすることができ、シール面全面にわたってシール面圧、シール性を均一化することができる。
【００１５】
これにより、電解質膜１１がある領域５３だけシール面圧が過大になってシール材料のクリープが増したりクリープ速度が大となることもなくなり、電池性能が長期にわたって安定する。
また、シール面５１に形成した段差がシール材料溜り凹部として働き、電解質膜１１がある領域のシール材料５０に、電解質膜１１が無い領域のシール材料５０に比べて過大な荷重をかけることもなくなるので、電解質膜１１がある領域のシール材料５０の流体流路へのはみ出しも抑制され、流体流路の流路断面積の減少や閉塞が防止される。また、シール材料５０の電極側へのはみ出しが防止されることから、絶縁性のシール材料５０が電極にかかってその部分の性能不良を生じることもない。
【００１６】
本発明の実施例２では、図５に示すように、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８の少なくとも一方のシール面５１に、シール材料溜まりの窪み５６（溝状の凹みであるグルーブ、対向部材から退いた面からなるリセス、等である場合を含む）が形成されている。窪み５６の形状は、断面が矩形状でも、、三角形状でも、多角形状でも、湾曲状のグルーブであってもよいし、あるいはチャンファやＲ形状のリセスでもよい。
窪み５６は、
（イ）セパレータ１８のシール面５１の内周側部分（電極に近い側）に形成されていてもよいし、
（ロ）セパレータ１８のシール面５１の外周側部分（電極から遠い側）に形成されていてもよいし、
（ハ）セパレータ１８のシール面５１の内周側部分とセパレータ１８のシール面５１の外周側部分との両方に形成されていてもよい。図５は（ハ）の場合を示している。
また、窪み５６は、セパレータ１８のシール面５１の内・外周部位のみならず、シール部５２の、流体マニホールド２８、２９ａ、２９ｂへの開口縁部の、セパレータ１８のシール面５１にも形成されてもよい。
【００１７】
本発明の実施例２のシール構造を有する燃料電池の作用、効果については、セパレータ１８のシール面５１にシール材料溜まりの窪み５６を形成したので、電解質膜１１がある領域か無い領域かにより、あるいはセパレータ１８、電極の形状精度やシール材料５０の塗布・成形加工精度のばらつきにより、シール材５０に過大な荷重がかかる領域では、余剰シール材料は窪み５６に入り込み、逆にシール材５０にかかる荷重が少ない場合はシール材が窪みに入り込まないことによって、シール面圧が均一化する。これによって、本発明の実施例１の作用、効果と同様に、電池性能が安定する。
また、余剰シール材料が窪み５６に入ることにより、シール材料５０の流体流路へのはみ出しが無くなるか抑制され、はみ出しシール材料による流路断面積の減少や流路の閉塞が生じなくなる。また、燃料電池組立において、はみ出しシール材料の除去工程が不要になる。また、電極部分については、シール材料のはみ出しによる電極反応面積の縮小を想定して設計を実施するため、モジュールサイズの拡大につながり、燃料電池全体が大きくなるが、本発明ではシール材料のはみ出しによる電極反応面積の縮小を想定しなくてよいので、モジュールサイズを拡大しなくてよく、燃料電池全体も大きくならない。
【００１８】
また、窪み５６が、セパレータのシール面５１の内周側部分に形成される場合は、シール材料の電解質膜側へのはみ出し、マニホールド等の流体流路へのはみ出し、等による不良の発生が無くなるかまたは抑制される。
また、窪み５６が、セパレータのシール面５１の外周側部分に形成される場合は、シール材料のモジュール外へのはみ出しによる不良、たとえばはみ出しシール材料のセパレータ裏面への回り込みによるセパレータ積層時の平行度の狂い発生（図１０の比較例）、等がなくなる。さらに、窪み５６をチャンファ（図８）、Ｒ形状にすることによって、対向セパレータ端部同士が接触することがなくなり、セパレータ間の短絡を防止できる。
【００１９】
本発明の実施例３では、図６〜図８に示すように、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８の外形サイズをセル面内方向に異ならせることにより、セパレータ外面部にシール材料溜まり５７が形成されている。
図６では、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８のうち一方のセパレータを他方のセパレータより外側に３〜５ｍｍ張り出させ、その張り出し部上面と他方のセパレータの側面によってシール材料溜まり５７を形成している。はみ出したシール材料５０はシール材料溜まり５７に溜まる。
図７では、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８のうち一方のセパレータを他方のセパレータより外側に張り出させて、他方のセパレータの外側側面との間にシール材料溜まり５７を形成するダム５８が形成されている。ダム５８があるため、一方のセパレータの他方のセパレータより外側への張り出し量は、図６の例より少なくてよく、たとえば２〜４ｍｍとする。ダム５８は図６の例に適用されてもよい。
図８では、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８のうち少なくとも一方のセパレータの外周端部に面取り部５９を形成し、この面取り部５９によって形成されたスペースによりシール材料溜まり５７が形成されている。面取り５９のサイズは２〜４ｍｍである。
【００２０】
図９、図１０は比較例（本発明に含まず）を示す。図９のように、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８の外形サイズが同じ場合は、シール材料がはみ出すと垂れ落ちるので、後工程にてカッターナイフ等による除去作業が必要となる。また、図１０に示すように、はみ出したシール材料（接着剤）がセパレータの裏面に廻り込むと、モジュールを積層した時に互いに平行に積み重ねることができなくなる。
【００２１】
本発明の実施例３のシール構造を有する燃料電池の作用、効果については、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８の外形サイズを異ならせることによりセパレータ外面部にシール材料溜まり５７を形成したので、シール材料５０のモジュール外へのはみ出しによる不良、たとえばはみ出しシール材料のセパレータ裏面への回り込みによるセパレータ積層時の平行度の狂い発生、等がなくなる。また、燃料電池組立において、はみ出しシール材料の除去工程が不要になる。
【００２２】
本発明の実施例４では、図１１〜図１３に示すように、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８の外周部位に、シール面５１から側面にわたる窪み６０（対向セパレータから退く段差である場合を含む）が形成されている。
窪みまたは段差６０の深さは、セパレータ１８の端部に対向セパレータ側に曲がる変形（図１１）があっても、シール材料５０を挟んで対向するセパレータ同士が端部で接触しない（図１２）だけの深さとしてある。
従来は対向セパレータ１８の端部が湾曲して（図１５）、セパレータ１８の端部が端部で接触して導通するのを防止するために、図１４に示すように対向セパレータ端部間に絶縁シール６２を介在させるために、図１３に示すように、セパレータにシール材料を塗布する工程の前にセパレータ端に絶縁テープ等を添付する工程６１が必要であったが、本発明ではこの絶縁テープ添付工程６１が不要になる。また、従来は図１６に示すようにセパレータ端が曲がらないように押さえ金６３で押さえる必要があったが、本発明ではそれも必要でない。
【００２３】
本発明の実施例４のシール構造を有する燃料電池の作用、効果については、電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８の外周部位にシール面５１から側面にわたる窪み６０を形成したので、対向セパレータ端部同士が接触することがなくなり、セパレータ間の電気の短絡を防止できる。
また、シール材料５０のモジュール外へのはみ出しによる不良、たとえばはみ出しシール材料５０のセパレータ裏面への回り込みによるセパレータ積層時の平行度の狂い発生、等がなくなる。
さらに、燃料電池組立において、はみ出しシール材料の除去工程が不要になる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１〜３のシール構造を有する燃料電池によれば、電解質膜を挟んで対向するセパレータのシール面の間隔を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、異ならせたので、シール材料にかかる面圧を、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域と挟まれない領域とで、均一化することができ、シール面全面にわたってシール性を均一化することができる。これにより、電解質膜がある領域だけシール材料のクリープが増したりクリープ速度が大となることもなくなり、電池性能が長期にわたって安定する。また、電解質膜がある領域のシール材料に、電解質膜が無い領域のシール材料に比べて過大な荷重がかかることもなくなるので、電解質膜がある領域のシール材料の流体流路へのはみ出しも抑制され、流体流路の流路断面積の減少や閉塞が防止される。
請求項４のシール構造を有する燃料電池によれば、セパレータのシール面にシール材料溜まりの窪みを形成したので、電解質膜がある領域か無い領域かにより、あるいはセパレータ、電極の形状精度やシール材料の塗布・成形加工精度のばらつきにより、シール材に過大な荷重がかかる領域では、余剰シール材料は窪みに入り込み、逆にシール材にかかる荷重が少ない場合はシール材が窪みに入り込まないことによって、シール面圧が均一化する。また、余剰シール材料が窪みに入ることにより、シール材料の流体流路へのはみ出しが無くなるか抑制され、はみ出しシール材料による流路断面積の減少や流路の閉塞が生じなくなる。
また、窪みが、セパレータのシール面の内周側部分に形成されているので、シール材料の電解質膜側へのはみ出し、マニホールド等の流体流路へのはみ出し、等による不良の発生が無くなるかまたは抑制される。
請求項５のシール構造を有する燃料電池によれば、電解質膜を挟んで対向するセパレータの外形サイズを異ならせることによりセパレータ外面部にシール材料溜まりを形成したので、シール材料のモジュール外へのはみ出しによる不良、たとえばはみ出しシール材料のセパレータ裏面への回り込みによるセパレータ積層時の平行度の狂い発生、等がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例のシール構造を有する燃料電池の全体概略図である。
【図２】  図１の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】  本発明の実施例１のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図４】  本発明の実施例１に対する比較例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図５】  本発明の実施例２のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図６】  本発明の実施例３の一例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図７】  本発明の実施例３のもう一例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図８】  本発明の実施例３のさらにもう一例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図９】  本発明の実施例３に対する比較例の一例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図１０】  本発明の実施例３に対する比較例のもう一例のスタックの側面図である。
【図１１】  本発明の実施例４のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図１２】  本発明の実施例４のセパレータ外周端部の側面図である。
【図１３】  本発明の実施例４とその比較例のシール部組立の工程図である。
【図１４】  本発明の実施例４に対する比較例のセパレータ間シール部とその近傍の断面図である。
【図１５】  図１４のセパレータ端部の側面図である。
【図１６】  図１５でセパレータ端部が曲がるのを押さえる場合の側面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
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  テンションプレート
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  ガス流路
２７ａ  燃料ガス流路
２７ｂ  酸化ガス流路
２８  冷媒マニホールド
２９  ガスマニホールド
２９ａ  燃料ガスマニホールド
２９ｂ  酸化ガスマニホールド
３０  冷媒配管
３１  ガス配管
３１ａ  燃料ガス配管
３１ｂ  酸化ガス配管
３２  プレッシャプレート
３３  ばね機構
５０  シール材料
５１  シール面
５２  シール部
５３  電解質膜がセパレータにより挟まれる領域
５４  電解質膜がセパレータにより挟まれない領域
５５  段差
５６  窪み
５７  シール材料溜まり
５８  ダム
５９  面取り部
６０  窪み
６１  添付工程
６２  絶縁シール
６３  押さえ金
【図１】
0004000790.tif 000002
【図２】
0004000790.tif 000003
【図３】
0004000790.tif 000004
【図４】
0004000790.tif 000005
【図５】
0004000790.tif 000006
【図６】
0004000790.tif 000007
【図７】
0004000790.tif 000008
【図８】
0004000790.tif 000009
【図９】
0004000790.tif 000010
【図１０】
0004000790.tif 000011
【図１１】
0004000790.tif 000012
【図１２】
0004000790.tif 000013
【図１３】
0004000790.tif 000014
【図１４】
0004000790.tif 000015
【図１５】
0004000790.tif 000016
【図１６】
0004000790.tif 000017