(57)【要約】【課題】簡単な構成で、内側シール部材と外側シール部材とが設けられた２重シール構造のセパレータの変形を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に電解質膜・電極構造体１２を挟持する。第１セパレータ１４の面１４ｂには、第１シール部材４２が一体成形されるとともに、前記第１シール部材４２は、第２内側シール部材４２ｃと外側シール部材４２ｄとの間に位置して、中間支持部材４２ｅを一体成形する。中間支持部材４２ｅは、第２内側シール部材４２ｃ及び外側シール部材４２ｄよりも高さ寸法が低く設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータ間に挟持されるとともに、挟持方向から見て、発電領域を周回して設けられる内側シール部材と、前記内側シール部材の外方を周回して設けられる外側シール部材とを有する２重シール構造の燃料電池であって、
前記内側シール部材と前記外側シール部材との間には、少なくとも該内側シール部材又は該外側シール部材の一方に一体成形され、且つ、前記一方よりも高さ寸法が低い中間支持部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
前記中間支持部材は、前記冷却媒体流路側に設けられる前記内側シール部材と前記外側シール部材との間に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対向する面には、セパレータ面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、
前記中間支持部材は、前記反応ガス流路側に設けられる前記内側シール部材と前記外側シール部材との間に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、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える２重シール構造の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなる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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータ（バイポーラ板）間に挟持されることにより、燃料電池を構成している。この燃料電池は、所定の数だけ積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。
【０００３】
燃料電池では、ガス漏れ等を防止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するとともに、冷却機能を維持するために、冷却媒体を液密に保持する必要がある。このため、種々のシール部材が採用されている。その際、セパレータとして、例えば、薄板状の金属セパレータが使用される場合がある。従って、金属セパレータに締め付け荷重が付与されると、シール荷重によって前記金属セパレータが変形し易くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、積層体は、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材を一体的に備えるとともに、前記シール部材は、対向するセパレータにそれぞれ当接する第１のシール部及び第２のシール部を備えている。そして、第１のシール部及び第２のシール部は、積層方向から見て、所定の距離だけ離れた位置に形成されている。
【０００５】
このため、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が付与された際、第１のシール部に加わる締結荷重が第２のシール部に、第２のシール部に加わる締結荷重が第１のシール部に、直接的に加わらないようにすることができる。従って、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が加えられたとき、第１のシール部及び第２のシール部が、荷重方向に対して斜めに変形してしまうことを抑制することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０７７０７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、セパレータでは、一方の面側に設けられる反応ガス流路に供給される反応ガスの供給圧と、他方の面側に設けられる冷却媒体流路（又は他の反応ガス流路）に供給される冷却媒体（又は他の反応ガス）の供給圧とが異なる場合がある。このため、上記の特許文献１では、第１のシール部と第２のシール部とが、積層方向から見て比較的大きく離れた位置に形成されていると、セパレータ両面の供給圧の差圧によりセパレータが変形するという問題がある。
【０００８】
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、内側シール部材と外側シール部材とが設けられた２重シール構造のセパレータの変形を可及的に抑制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】
【０００９】
本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータ間に挟持されている。燃料電池は、挟持方向（積層方向）から見て、発電領域を周回して設けられる内側シール部材と、前記内側シール部材の外方を周回して設けられる外側シール部材とを有する２重シール構造を採用している。
【００１０】
そして、内側シール部材と外側シール部材との間には、少なくとも前記内側シール部材又は前記外側シール部材の一方に一体成形され、且つ、前記一方よりも高さ寸法が低い中間支持部材が設けられている。
【００１１】
また、この燃料電池では、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。その際、中間支持部材は、冷却媒体流路側に設けられる内側シール部材と外側シール部材との間に形成されることが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池では、セパレータ間の電解質膜・電極構造体に対向する面には、セパレータ面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成されることが好ましい。その際、中間支持部材は、反応ガス流路側に設けられる内側シール部材と外側シール部材との間に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、２重シール構造のセパレータにおいて、内側シール部材と外側シール部材との間に、中間支持部材が設けられている。このため、内側シール部材と外側シール部材との間隔が、比較的大きく設定される部位に対応し、すなわち、セパレータ両面の差圧によりセパレータが変形し易い部位に対応し、中間支持部材を設けることができる。
【００１４】
これにより、簡単な構成で、内側シール部材と外側シール部材とが設けられた２重シール構造のセパレータの変形を可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記第２セパレータの他方の面の説明図である。
【図６】前記第１セパレータの、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】前記第２セパレータの、図１中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、立位姿勢で、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等で構成されるが、カーボン部材等により構成してもよい。
【００１８】
図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、ＭＥＡ構成部１２ａを備える。ＭＥＡ構成部１２ａ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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００１９】
アノード電極２２は、カソード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、カソード電極２０は、アノード電極２２よりも小さな平面寸法を有していてもよく、また、前記カソード電極２０と前記アノード電極２２とは、同一の平面寸法を有してもよい。
【００２０】
カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａの平面寸法と第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法とは、同一の寸法を有する。なお、第１電極触媒層２０ａは、第１ガス拡散層２０ｂよりも小さな平面寸法であってもよい。
【００２１】
アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合され、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅを額縁状に露呈させる第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法でもよく、又は、大きな平面寸法でもよい。
【００２２】
第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａよりも大きな平面寸法を有しているが、前記第１電極触媒層２０ａと前記第２電極触媒層２２ａとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。なお、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、複数の層から構成してもよい。
【００２３】
第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きく設定されるとともに、前記第１ガス拡散層２０ｂは、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ全体を覆う。
【００２４】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ等からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。
【００２５】
図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回し、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合されて前記固体高分子電解質膜１８を保護する樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。
【００２６】
樹脂製枠部材２４は、枠形状を有しており、段部を介し最外周よりも薄肉状に形成されてアノード電極２２の外周側に突出し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに当接する内周突部２４ｔを有する。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅは、アノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂの外周端から外方に延在する。
【００２７】
図１に示すように、樹脂製枠部材２４の一方の対角位置には、後述する酸化剤ガス入口連通孔３０ａに向かって突出する膨出部２４ａと、後述する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに向かって突出する膨出部２４ｂとが設けられる。なお、電解質膜・電極構造体１２は、樹脂製枠部材２４を用いない構成であってもよい。
【００２８】
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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２９】
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、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００３０】
図１及び図３に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路３６とは、複数本の入口連結路３７ａを介して連通する。酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと酸化剤ガス流路３６とは、複数本の出口連結路３７ｂを介して連通する。
【００３１】
図４に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する複数本の燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する複数個の供給孔部３９ａと、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する複数個の排出孔部３９ｂとが形成される。
【００３２】
図１及び図５に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂ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４０が形成される。
【００３３】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の両面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。
【００３４】
第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３５】
図２及び図６に示すように、第１シール部材４２は、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂに一体化されるとともに、セパレータ面に沿って均一な厚さを有する平面シール（ベースシール）４２ａを有する。第１シール部材４２は、面１４ａに一体化され、電解質膜・電極構造体１２の樹脂製枠部材２４に当接する第１内側シール部材４２ｂを有する。第１内側シール部材４２ｂは、積層方向から見て、発電領域内を周回して配置される。
【００３６】
図１及び図２に示すように、第１シール部材４２は、第１セパレータ１４の面１４ｂに一体化される第２内側シール部材４２ｃ及び外側シール部材４２ｄ、すなわち、２重シール構造を有する。供給孔部３９ａ及び排出孔部３９ｂの近傍には、それぞれ第２内側シール部材４２ｃと外側シール部材４２ｄとの中間に位置して、島状に中間支持部材４２ｅが第１シール部材４２に一体成形される。
【００３７】
図６に示すように、中間支持部材４２ｅは、第２内側シール部材４２ｃ及び外側シール部材４２ｄよりも高さｔ１だけ低く設定される。高さｔ１は、燃料電池１０が組み立てられて締め付け荷重が付与された状態で、中間支持部材４２ｅが弾性変形することなく第２セパレータ１６に略当接するように設定される。第１シール部材４２は、面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂに近接する位置に、冷却媒体流路４０から前記冷却媒体入口連通孔３２ａ及び前記冷却媒体出口連通孔３２ｂに向かって伸びるそれぞれ複数個の突起部（ゴムブリッジ部）４２ｆを一体に設ける。
【００３８】
図１〜図３に示すように、第２シール部材４４は、第２セパレータ１６の両面１６ａ、１６ｂに一体化されるとともに、セパレータ面に沿って均一な厚さを有する平面シール（ベースシール）４４ａを有する。第２シール部材４４は、面１６ａに一体化され、電解質膜・電極構造体１２の外周端部から外方に位置して第１セパレータ１４に当接する第１外側シール部材４４ｂを有する。
【００３９】
図２及び図５に示すように、第２シール部材４４は、第２セパレータ１６の面１６ｂに一体化される第２外側シール部材４４ｃを有する。面１６ｂには、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂに近接する位置に、冷却媒体流路４０から前記冷却媒体入口連通孔３２ａ及び前記冷却媒体出口連通孔３２ｂに向かって伸びるそれぞれ複数個の突起部（ゴムブリッジ部）４４ｄが一体に設けられる。突起部４２ｆと突起部４４ｄとは、互いに当接する。
【００４０】
図３に示すように、第２シール部材４４は、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂに近接する位置に、それぞれ突起部４４ｄの伸びる方向に交差して前記突起部４４ｄの裏面側を保持するための受け部４４ｅを直線状に一体に設ける。各受け部４４ｅの内側には、すなわち、第１外側シール部材４４ｂと第１シール部材４２の第１内側シール部材４２ｂとの間に位置して、それぞれ島状に中間支持部材４４ｆが第２シール部材４４に一体成形される。
【００４１】
中間支持部材４４ｆは、第１外側シール部材４４ｂよりも高さ寸法が低く設定される。中間支持部材４４ｆは、受け部４４ｅよりも高さｔ２だけ低く設定される。高さｔ２は、燃料電池１０が組み立てられて締め付け荷重が付与された状態で、中間支持部材４４ｆが弾性変形することなく第１セパレータ１４に略当接するように設定される。
【００４２】
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。
【００４３】
先ず、図１に示すように、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とともに、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。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。
【００４４】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ構成部１２ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部３９ａを通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ構成部１２ａのアノード電極２２に供給される。
【００４５】
従って、各ＭＥＡ構成部１２ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層２０ａ内及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４６】
次いで、カソード電極２０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。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部３９ｂから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。
【００４７】
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セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ構成部１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４８】
この場合、本実施形態では、図１及び図６に示すように、第２内側シール部材４２ｃと外側シール部材４２ｄとの中間に位置して、中間支持部材４２ｅが第１シール部材４２に一体成形されている。このため、第２内側シール部材４２ｃと外側シール部材４２ｄとの間隔が、比較的大きく設定される部位に対応し、すなわち、セパレータ両面の差圧により第１セパレータ１４が変形し易い部位に対応し、中間支持部材４２ｅを設けることができる。
【００４９】
さらに、中間支持部材４２ｅは、第２内側シール部材４２ｃ及び外側シール部材４２ｄよりも高さｔ１だけ低く設定されている。従って、中間支持部材４２ｅは、燃料電池１０に作用する締め付け荷重を受けることがなく、所望のシール荷重を確保することが可能になる。
【００５０】
これにより、簡単な構成で、第２内側シール部材４２ｃと外側シール部材４２ｄとが設けられた２重シール構造の第１セパレータ１４の変形を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
一方、第２セパレータ１６には、図１及び図３に示すように、第１外側シール部材４４ｂと第１シール部材４２の第１内側シール部材４２ｂとの間に位置して、それぞれ中間支持部材４４ｆが第２シール部材４４に一体成形されている。このため、簡単な構成で、第２セパレータ１６の変形を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５２】
さらに、中間支持部材４４ｆは、第１外側シール部材４４ｂよりも高さ寸法が低く設定されるとともに、受け部４４ｅよりも高さｔ２だけ低く設定されている。従って、中間支持部材４４ｆは、燃料電池１０に作用する締め付け荷重を受けることがなく、所望のシール荷重を確保することが可能になる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池                      １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ              １８…固体高分子電解質膜
２０…カソード電極                  ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層          ２２…アノード電極
２４…樹脂製枠部材                  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…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路                  ３９ａ…供給孔部
３９ｂ…排出孔部                    ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材              ４２ｂ、４２ｃ…内側シール部材
４２ｄ、４４ｂ、４４ｃ…外側シール部材
４２ｅ、４４ｆ…中間支持部材        ４２ｆ、４４ｄ…突起部
【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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