(57)【要約】【課題】シール部の位置ズレによるセパレータの変形を抑制できる燃料電池。【解決手段】隣接する単セル２、２間のセパレータ２２Ａ，２２Ｂ間が第１シール材５１によってシールされ、単セル２におけるセパレータ２２Ａ，２２Ｂ間が第２シール材５２によってシールされる。第１シール材５１の二つのシール部６１，６２及び第２シール材５２の二つのシール部７１，７２は、いずれも、一方の面８２が他方の面８１に対して幅広に形成され、且つ、尖塔形の断面形状が同じ方向を向く。また、セル積層方向において、外側のシール部６１、７１は同じラインＬ１上に位置すると共に、内側のシール部６２，７２は同じラインＬ２上に位置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と当該膜−電極接合体を挟持する第１及び第２のセパレータとを有する単セルを複数積層し、且つ、その積層方向に圧縮荷重を付与されたセル積層体と、
第１のシール部と当該第１のシール部に連結された第２のシール部とを有し、隣接する単セル間に配置されたシール材と、を備えた燃料電池において、
前記第１及び第２のシール部は、それぞれ、前記第１のセパレータに接触する面よりも前記第２のセパレータに接触する面の方が幅広に形成され、
前記積層方向において隣り合うシール材同士は、前記第１のシール部の互いの位置が前記積層方向において合致すると共に、前記第２のシール部の互いの位置が前記積層方向において合致する、燃料電池。
【請求項２】
前記第１のシール部と前記第２のシール部とは、前記積層方向の断面形状が同じである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記断面形状は、尖塔形及び略四角形を有し、
前記尖塔形の頂部に対応する部分が、前記第１のセパレータに接触し、
前記略四角形の一辺に対応する部分が、前記第２のセパレータに接触する、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記シール材は、隣接する単セル間の外周縁部に沿って配置されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
各単セルにおける前記第１及び第２のセパレータ間に配置された第２のシール材を備え、
前記第２のシール材と前記シール材とは、前記積層方向の断面形状が同じであり、且つ、当該断面形状における比較的幅狭部分が前記積層方向において同じライン上で同じ方向を向いている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構成要素間のシーリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型の燃料電池として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この燃料電池の単セルは、電解質膜及びこれを挟持する一対の電極からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、で構成されている。この燃料電池は、単セルを複数積層してその積層方向に所定の圧縮荷重を付与してなり、いわゆるスタック構造を有している。
【０００３】
各単セルのセパレータ間は、ＭＥＡの外周に接合された第１のシール材によってシールされている。また、一の単セルとこれに隣接する他の単セルとの間は、第２のシール材によってシールされている。第１及び第２のシール材は、それぞれ、二つのシール部を有しており、その二つのシール部の一方は両面が幅狭に形成され、他方は両面が幅広に形成されている。第１のシール材と第２のシール材とは、セパレータを挟んで幅狭のシール部と幅広のシール部とが互い違いになるように設けられ、これにより、圧縮荷重を付与する積層時にセパレータが変形することを抑制するようにしている。
【特許文献１】特開２００６−１０７９８５号公報（図２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のシール構造のように、両面が幅広のシール部と両面が幅狭のシール部とを積層方向において互い違いに組み付けると、圧縮荷重によってシール部の位置がずれ、セパレータが変形するおそれがあった。特に、セパレータを薄くした場合には、シール部の位置ズレによりセパレータに大きなせん断応力が作用するので、セパレータの変形を引き起こし易かった。また、このシール構造では、シール部の両面を幅広にしているため、スタック時の面圧が高くなり過ぎるおそれもあった。
【０００５】
本発明は、シール部の位置ズレによるセパレータの変形を抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、膜−電極接合体と膜−電極接合体を挟持する第１及び第２のセパレータとを有する単セルを複数積層したセル積層体と、隣接する単セル間に配置されたシール材と、を備える。セル積層体は、その積層方向に圧縮荷重を付与される。シール材は、第１のシール部と第１のシール部に連結された第２のシール部とを有し、第１及び第２のシール部は、それぞれ、第１のセパレータに接触する面よりも第２のセパレータに接触する面の方が幅広に形成される。そして、積層方向において隣り合うシール材同士は、第１のシール部の互いの位置が積層方向において合致すると共に、第２のシール部の互いの位置が積層方向において合致する。
【０００７】
本発明によれば、第１及び第２のシール部のそれぞれの片面を幅狭にしているので、スタック時の面圧が高くなることを抑制できる。また、一つのシール材における第１のシール部と第２のシール部とは、いずれも、比較的幅狭部分が第１のセパレータに接触し、比較的幅広部分が第２のセパレータに接触する。加えて、積層方向でみれば、全ての第１のシール部の比較的幅狭部分が同じライン上において同じ方向を向き、全ての第２のシール部の比較的幅狭部分が同じライン上において同じ方向を向くことになる。この結果、積層時の圧縮荷重は各シール材には同じ条件で作用し、各シール部の位置ズレが起こり難くなるので、セパレータの変形を抑制できる。
【０００８】
好ましくは、第１のシール部と第２のシール部とは、積層方向の断面形状が同じであるとよい。
【０００９】
この構成によれば、一つのシール材において、二つのシール部に作用する圧縮荷重のバラツキを抑制できる。このため、各シール部の位置ズレをより一層抑制できる。
【００１０】
より好ましくは、前記断面形状は尖塔形及び略四角形を有し、尖塔形の頂部に対応する部分が第１のセパレータに接触し、略四角形の一辺に対応する部分が前記第２のセパレータに接触するとよい。
【００１１】
こうすることで、簡易に、各シール部の一方の面を相対的に幅狭に且つ他方の面を相対的に幅広に形成することができる。
【００１２】
好ましくは、シール材は、隣接する単セル間の外周縁部に沿って配置されるとよい。
【００１３】
この構成によれば、単セル間を周方向に亘ってシールすることができる。また、シール材を単セル間の一部にのみ配置する場合に比べて、積層時の圧縮荷重が分散されるので、シール部の位置ズレをより好適に抑制できる。
【００１４】
好ましくは、燃料電池は、各単セルにおける第１及び第２のセパレータ間に配置された第２のシール材を備える。そして、第２のシール材とシール材とは、積層方向の断面形状が同じであり、且つ、この断面形状における比較的幅狭部分が積層方向において同じライン上で同じ方向を向いているとよい。
【００１５】
この構成によれば、単セル間についても第２のシール材でシールすることができる。また、積層方向において同じ断面形状のシール材が各セパレータ間に介装されるので、各シール部の位置ズレがより一層起こり難くなる。特に、一つのセパレータに着目した場合、その表側の面には一のシール部の比較的幅狭部分が接触し且つその裏側の面には他のシール部の比較的幅広部分が接触することになる。よって、セパレータにせん断応力がかかることを抑制でき、その変形を抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池によれば、積層時にシール部の位置ズレを抑制でき、ひいてはセパレータの変形を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置型の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、基本単位である単セル２を複数積層してなるセル積層体３を有する。セル積層体３の両端に位置する単セル２の外側には、それぞれ順次、集電板５、５、絶縁板６、６及びエンドプレート７、７が配置される。そして、例えば、エンドプレート７、７同士はテンションプレート８，８によって繋がれ、セル積層体３は単セル２の積層方向（以下、単に「セル積層方向」という。）に所定の圧縮荷重（締結力）が付与された状態となる。
【００１９】
燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７に接続した図示省略の供給管からセル積層体３に供給され、セル積層方向に流れると共に各単セル２の平面方向に流れる。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７に接続した図示省略の排出管から燃料電池１外へと排出される。ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスである。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスである。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。
【００２０】
図２に示すように、単セル２は、ＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備える。
ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、イオン交換膜からなる電解質膜３０と、電解質膜３０を挟んだ一対の電極３２Ａ，３２Ｂと、で構成される。電極３２Ａ，３２Ｂは、例えば多孔質のカーボン素材からなる拡散層に、例えば白金からなる触媒層が結着されたものである。電極３２Ａ（アノード）の拡散層は、セパレータ２２Ａの燃料ガス流路４０に面しており、燃料ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ２２Ａを電気的に導通させる機能と、を有する。一方、電極３２Ｂ（カソード）の拡散層は、セパレータ２２Ｂの酸化ガス流路４２に面しており、酸化ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ２２Ｂを電気的に導通させる機能と、を有する。
【００２１】
セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂の他、アルミニウムやステンレス等の金属が挙げられる。本実施形態では、セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、基材を板状の金属とするいわゆるメタルセパレータからなり、平面視矩形状に形成される。セパレータ２２Ａ、２２Ｂは、外周縁部に、単セル２の発電がされない非発電領域を有し、ここに第１シール材５１及び第２シール５２が配置されている。
【００２２】
セパレータ２２Ａは、表面に燃料ガス流路４０を有し、裏面に冷媒流路４４Ａを有する。セパレータ２２Ｂは、表面に酸化ガス流路４２を有し、裏面に冷媒流路４４Ｂを有する。隣接する二つの単セル２，２の一方の冷媒流路４４Ａが他方の冷媒流路４４Ｂと連通することで、単セル２，２間に冷媒を供給する冷媒流路が構成される。燃料ガス流路４０が電極３２Ａに燃料ガスを供給し、酸化ガス流路４２が電極３２Ｂに酸化ガスを供給することにより、ＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、電極３２Ｂ側に水が生成されると共に発熱する。そして、冷媒流路（４４Ａ，４４Ｂ）に冷媒が流れることで、単セル２の熱が低減され、燃料電池１の運転温度が所定の範囲に保たれる。
【００２３】
セパレータ２２Ａの両面の燃料ガス流路４０及び冷媒流路４４Ａは、セパレータ２２Ａのプレス成形によって同時に形成され、セパレータ２２Ｂの両面の酸化ガス流路４２及び冷媒流路４４Ｂは、セパレータ２２Ｂのプレス成形によって同時に形成される。つまり、セパレータ２２Ａ，２２Ｂでは、流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。なお、燃料ガス流路４０、酸化ガス流路４２及び冷媒流路４４Ａ，４４Ｂは、凹凸の繰り返しが一方向に延びるストレート流路、又は、途中に折り返し部を有するサーペンタイン流路で構成される。
【００２４】
次に、図３を参照して、第１シール材５１及び第２シール材５２について詳述する。
第１シール材５１は、隣接する単セル２，２間に配置され、一方の単セル２のセパレータ２２Ａと他方の単セル２のセパレータ２２Ｂとの間を外周縁部に沿ってシールする。一方、第２シール材５２は、各単セル２におけるセパレータ２２Ａとセパレータ２２Ｂとの間に配置され、これらの間を外周縁部に沿ってシールする。なお、第２シール材５２の内周面はＭＥＡ２０の外周面に接触してもよいが、ここでは離間している。
【００２５】
第１シール材５１及び第２シール材５２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により形成されたガスケットである。第１シール材５１及び第２シール材５２は、互いに異なる材料で形成することもできるが、ここでは同じ材料で形成されている。また、第１シール材５１及び第２シール材５２は、異なる断面形状としてもよいし、全部分又は一部分について同じ断面形状としてもよい。ここでは、第１シール材５１及び第２シール材５２は、少なくともセル積層方向の断面形状が同じとなっている。
【００２６】
第１シール材５１は、外側シール部６１及び内側シール部６２を有すると共に、外側シール部６１と内側シール部６２とを連結する連結部６３を有する。外側シール部６１、内側シール部６２及び連結部６３は同一材料により一体に形成されているが、別体に又は異種材料を用いて形成してもよい。また、外側シール部６１及び内側シール部６２は、異なる断面形状としてもよいが、ここでは同じ断面形状となっている。
【００２７】
第２シール材５２は、外側シール部７１、内側シール部７２及び連結部７３を有しており、これら各部（７１〜７３）の構造は、第１シール材５１の各部（６１〜６３）と同じになっている。外側シール部６１、７１は、セパレータ２２Ａ，２２Ｂ間の外周縁部の比較的外側を周方向に亘ってシールし、内側シール部６２、７２は、その外周縁部の比較的内側を周方向に亘ってシールする。
【００２８】
外側及び内側の各シール部６１，６２，７１，７２では、セル積層方向の断面形状が同じであり、その断面形状における比較的幅狭部分（図３における右側部分）がセル積層方向において同じ方向（図３における右方向）を向いている。また、外側シール部６１と外側シール部７１とはセル積層方向において同じラインＬ１上に位置し、内側シール部６２と内側シール部７２とはセル積層方向において同じラインＬ２上に位置している。すなわち、第１シール材５１及び第２シール材５２は、外側シール部６１，７１の互いの位置がセル積層方向において合致すると共に、内側シール部６２，７２の互いの位置がセル積層方向において合致する。
【００２９】
なお言うまでもないが、セル積層方向において第２シール材５２を介して間接的に隣り合う第１シール材５１，５１では、互いの外側シール部６１，６１がセル積層方向において同じラインＬ１上に位置し、互いの内側シール部６２，６２がセル積層方向において同じラインＬ２上に位置している。この点、セル積層方向において間接的に隣り合う第２シール材５２，５２でも、外側シール部７１及び内側シール部７２が同様の位置関係となっている。
【００３０】
上述のとおり、各シール部６１，６２，７１，７２では、セル積層方向の断面形状が同じであり、その断面形状は、セル積層方向の中間部で区分けすると、それぞれ尖塔形及び略四角形となっている。そして、尖塔形と略四角形との間の部分に、連結部６３、７３の一端が連結されるように構成されている。尖塔形の頂部に対応する面８１は、セパレータ２２Ａに接触する。一方、略四角形の底辺に相当する面８２は、セパレータ２２Ｂに接触する。面８２は、面８１よりも幅広に形成されている。すなわち、面８２は、セル積層方向に直交する方向において、面８１よりも長く延在している。
【００３１】
各シール部６１，６２，７１，７２においては、面８１がある尖塔形断面の部分が比較的幅狭部分に相当し、面８２がある略四角形断面の部分が比較的幅広部分に相当する。比較的幅狭部分は、比較的幅広部分に対し、セパレータ（２２Ａ，２２Ｂ）との接触圧力が高く、高いシール性を発揮する。一方、比較的幅広部分は、比較的幅狭部分に対し、見かけの弾性率が大きくなり、セル積層方向の圧縮荷重に対する変形量が小さい。
【００３２】
以上説明した本実施形態の燃料電池２によれば、セル積層方向において、全ての第１シール材５１の外側シール部６１及び内側シール部６２が互いに同じ態様で設けられると共に、全ての第２シール材５２が外側シール部７１及び内側シール部７２が互いに同じ態様で設けられる。しかも、第１シール材５１と第２シール材５２とでは、外側シール部６１，７１同士が同じラインＬ１上で同じ方向を向き、内側シール部６２，７２同士が同じラインＬ２上で同じ方向を向く。
【００３３】
これにより、セル積層時の圧縮荷重が全ての第１シール材５１及び第２シール材５２に同じ条件で作用するため、従来のように第１シール材５１と第２シール材５２とを互い違いに配置する場合に比べて、各シール部６１，６２，７１，７２の位置ズレが起こり難くなる。しかも、各シール部６１，６２，７１，７２について、積層方向の断面形状が同じであるので、各シール部６１，６２，７１，７２に作用する圧縮荷重のバラツキを抑制でき、その位置ズレをより一層抑制できる。
【００３４】
また、全てのセパレータ２２Ａ，２２Ｂにせん断応力がかかることを抑制できる。具体的には、セパレータ２２Ｂを一例に説明すると、仮にセパレータ２２Ｂの両面を挟持する部分がいずれも比較的幅狭部分であれば、その位置がセパレータ２２Ｂの面方向にずれた場合に、セパレータ２２Ｂに対してはせん断応力がかかることになる。
【００３５】
これに対し、本実施形態のように、セパレータ２２Ｂの両面を挟持する部分の一方が第１シール材５１の比較的幅広部分であり、他方が第２シール材５２の比較的幅狭部分であるので、仮に面方向に多少ずれても、比較的幅狭部分による圧力を比較的幅狭部分で受けることができる。これにより、圧縮荷重が付与されても、セパレータ２２Ｂにはせん断応力がかかることを抑制でき、セパレータ２２Ｂの変形を抑制することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、第１シール材５１の外側シール部６１及び内側シール部６２の片面のみを幅狭にしているので、この両面を幅広にする場合に比べて、スタック時の面圧が高くなることを抑制できる。
【００３７】
＜変形例＞
他の実施態様によれば、第１シール材５１及び第２シール材５２は、二つのシール部だけでなく、三つ以上のシール部を有するものであってもよい。この場合、三つ以上のシール部についても、上記した二つのシール部の関係と同様に形成すればよい。
【００３８】
また、第１シール材５１における外側シール部６１と内側シール部６２との断面形状を異ならせてもよい。ただし、外側シール部６１と内側シール部６２とは、セパレータ２２Ａに接触する部分を比較的幅狭部分に形成し且つセパレータ２２Ｂに接触する部分を比較的幅広部分に形成し、複数の第１シール材５１では、比較的幅狭部分がセル積層方向において同じ方向を向くように配置される。この点、第２シール材５２における外側シール部７１及び内側シール部７２も同様に変形可能である。
【００３９】
さらに、第１シール材５１及び第２シール材５２は、外周縁部以外の部分もシールしてもよい。例えば、第１シール材５１及び第２シール材５２は、セパレータに貫通形成される流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）用のマニホールドの周囲をシールする部位を有してもよい。
【００４０】
また、第２シール材５２を省略し、単セル２におけるセパレータ２２Ａ，２２Ｂ間のシールを接着剤で行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す側面図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池のセル積層体の断面図である。
【図３】図２の一部拡大図であり、実施形態に係る二つのシール材を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、２…単セル、３…セル積層体、２０…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、２２Ａ…セパレータ（第１のセパレータ）、２２Ｂ…セパレータ（第２のセパレータ）、３０…電解質膜、３２Ａ，３２Ｂ…電極、５１…第１シール材、５２…第２シール材、６１…外側シール部（第１シール部）、６２…内側シール部（第２シール部）、７１…外側シール部（第１シール部）、７２…内側シール部（第２シール部）、８１…面、８２…面
【図１】
2009129641.tif 000003
【図２】
2009129641.tif 000004
【図３】
2009129641.tif 000005