JP2005100950A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、反応ガスのショートカットを確実に阻止することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、第２シール部材５６が一体化される。この第２シール部材５６は、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａに設けられる外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂを備える。内側シール５８ｂの内周端部に複数の閉塞シール６０が一体的に形成され、前記閉塞シール６０は、前記内側シール５８ｂと燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの間隙を閉塞する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に第１の電極と第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２のセパレータ間に配設するとともに、前記第１及び第２のセパレータには、それぞれ所定の反応ガスを前記第１及び第２の電極に沿って供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

上記の発電セルでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造体とセパレータとのシール性を向上させることが可能な燃料電池が開示されている。

この燃料電池は、図１５に示すように、電解質膜・電極構造体１が第１及び第２セパレータ２ａ、２ｂにより挟持された発電セルを備えている。電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜３と、この固体高分子電解質膜３を挟持するアノード側電極４ａ及びカソード側電極４ｂとを備えており、前記アノード側電極４ａが前記カソード側電極４ｂよりも大きな表面積に設定されている。すなわち、電解質膜・電極構造体１は、いわゆる、段差ＭＥＡを構成している。

第２セパレータ２ｂの内面側には、カソード側電極４ｂを囲むようにして固体高分子電解質膜３に密接する第１シール５ａが取り付けられている。さらに、第１及び第２セパレータ２ａ、２ｂ間には、第１シール５ａを囲むようにして第２シール５ｂが取り付けられている。

特開２００２−２５５８７号公報（段落［００１７］、図７）

ところで、上記の特許文献１では、カソード側電極４ｂと第１シール５ａとの間に隙間６が形成され易い。特に、第２セパレータ２ｂが金属セパレータで構成されている場合、この第２セパレータ２ｂに第１シール５ａを一体的に成形する際に、前記第２セパレータ２ｂを金型（図示せず）で押さえる型押さえ面（平面部）が必要になる。このため、カソード側電極４ｂと第１シール５ａとの間には、上記の型押さえ面に対応して比較的幅広な隙間６が形成されてしまう。

従って、隙間６に反応ガスが洩れ易く、この反応ガスが反応ガス流路（図示せず）に沿って流れずにカソード側電極４ｂの外周部分を通過してしまうおそれがある。いわゆる、反応ガスのショートカットの発生である。これにより、反応ガスを電極反応面に確実に供給することができず、良好な発電性能が維持されないという問題がある。

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、反応ガスのショートカットを確実に阻止することができ、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。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に第１の電極と第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２のセパレータ間に配設するとともに、前記第１及び第２のセパレータには、それぞれ所定の反応ガスを前記第１及び第２の電極に沿って供給する反応ガス流路が形成されている。

そして、少なくとも第１のセパレータには、該第１のセパレータの外周縁部を覆ってシール部材が設けられるとともに、前記シール部材は、第１の電極に対向する額縁状シール面を有し、前記額縁状シール面の内周端部と、前記内周端部に隣接する反応ガス流路の凸部との間隙には、該間隙に沿って反応ガスが流通することを阻止する複数の閉塞シールが設けられている。

閉塞シールの数、形状（幅寸法）及び配置位置は、反応ガスが実際に洩れ易い部位に対応して種々設定されている。閉塞シールは、間隙を完全に閉塞するものに限定されるものではなく、反応ガスの流通が有効に制限される程度に閉塞されていればよい。

また、閉塞シールは、額縁状シール面の内周端部に一体的に形成され、第１のセパレータから離間する方向に傾斜して突出することが好ましい。

さらに、閉塞シールは、額縁状シール面の内周端部と反応ガス流路の凸部との隙間に充填される複数の液状シールであることが好ましい。

さらにまた、閉塞シールは、額縁状シール面の内周端部と反応ガス流路の凸部との間隙に配設される複数の固形シールであることが好ましい。

また、第１及び第２のセパレータは、第１及び第２の電極にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス流路を面方向に沿って設けるとともに、前記反応ガス流路は、折り返し部を有する蛇行流路を構成することが好ましい。

本発明によれば、シール部材は、第１の電極に対向する額縁状シール面の内周端部と、前記内周端部に隣接する反応ガス流路の凸部との間隙に、複数の閉塞シールを設けており、この閉塞シールの作用下に、前記間隙に短絡ガス通路が形成されることはない。このため、燃料電池内に供給された反応ガスが、電極反応面の外周を通過して、いわゆる、ショートカットを発生することを確実に阻止することができる。これにより、発電に利用されない反応ガスを良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行される。

また、閉塞シールは、額縁状シール面の内周端部に一体的に形成されて第１のセパレータから離間する方向に突出しており、シール成形時に型押さえ部が前記第１のセパレータに接触する部位（型押さえ面）を、前記閉塞シールによって確実に閉塞することができる。すなわち、閉塞シールを有するシール部材が第１のセパレータに一体化された後、燃料電池全体が締め付け保持される際に、前記閉塞シールが前記第１のセパレータ側に変形して型押さえ面を閉塞する。これにより、シール部材全体の製造作業が簡素化されるとともに、短絡ガス流路を良好に閉塞することが可能になる。

さらに、閉塞シールは、額縁状シール面の内周端部と反応ガス流路の凸部との隙間に充填される複数の液状シール、又は、複数の固形シールであり、前記間隙の任意の個所を確実に閉塞することができる。

さらにまた、反応ガス流路は、折り返し部を有する蛇行流路を構成している。このため、圧力差が大きくなる折り返し部においても、閉塞シールを介して反応ガスの洩れ、すなわち、ショートカットを良好に阻止することが可能になり、発電効率を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

燃料電池１０は、図２に示すように、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。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、積層されている発電セル１２には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。

図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側金属セパレータ（第１のセパレータ）１８とカソード側金属セパレータ（第２のセパレータ）２０とに挟持されている。アノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ２０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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。

発電セル１２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（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、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（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）上方に向かって配列して設けられる。

発電セル１２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、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｃ方向上方に向かって配列して設けられる。

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側電極（第１の電極）３８及びカソード側電極（第２の電極）４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極３８及びカソード側電極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の両面に形成されている。

図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に対向する面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に向かう酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。この酸化剤ガス流路４２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。

図４に示すように、アノード側金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に対向する面１８ａには、後述するように、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方向に蛇行しながら鉛直下方向（矢印Ｃ方向）に向かう燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。

図１及び図２に示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂとカソード側金属セパレータ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。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。

図１及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、このカソード側金属セパレータ２０の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０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が用いられる。

第１シール部材５０は、図２及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ２０の面２０ａに一体化される第１平面部５２と、前記カソード側金属セパレータ２０の面２０ｂに一体化される第２平面部５４とを備える。第２平面部５４は、第１平面部５２よりも長尺に構成される。

図２に示すように、第１平面部５２は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部５４は、カソード側電極４０の外周部分を所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図３に示すように、第１平面部５２は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを酸化剤ガス流路４２に連通して形成される一方、第２平面部５４は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通して形成される。

アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、図１、図２及び図４に示すように、このアノード側金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５６が一体化される。この第２シール部材５６は、アノード側金属セパレータ１８の外周端部に近接して面１８ａに設けられる外側シール５８ａを備え、この外側シール５８ａから内方に所定の距離だけ離間して内側シール５８ｂが設けられる。第２シール部材５６において、外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂは、アノード側電極３８に対向する額縁状シール面を構成する。

外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂは、先端先細り形状、台形状又は蒲鉾形状等、種々の断面形状が選択可能である。外側シール５８ａは、カソード側金属セパレータ２０に設けられている第１平面部５２に接触する一方、内側シール５８ｂは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６に直接接触する。

図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、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を囲繞する。内側シール５８ｂは、燃料ガス流路４４を囲繞するとともに、前記内側シール５８ｂと外側シール５８ａとの間には、電解質膜・電極構造体１６の外周端部が配置される。

図２に示すように、内側シール５８ｂの内周端部と、前記内周端部に隣接する燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの間隙には、複数の閉塞シール６０が形成される。閉塞シール６０は、後述するように、内側シール５８ｂの内周端部に一体的に形成されてアノード側金属セパレータ１８から離間する方向に傾斜して突出するとともに、長手方向両端と中央とに突起部６０ａが形成される（図４参照）。

閉塞シール６０は、燃料ガスが蛇行する燃料ガス流路４４を流れずにアノード側電極３８の外周を通過すること、いわゆる、ショートカットを阻止する機能を有している。各閉塞シール６０の数、形状（幅寸法）及び配置位置は、燃料ガスが実際に洩れ易い部位に対応して種々設定されている。

アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、外側シール５８ａに対応する外側シール５８ｃと、内側シール５８ｂに対応する内側シール５８ｄとが設けられる（図１及び図２参照）。外側シール５８ｃ及び内側シール５８ｄは、上記の外側シール５８ａ及び内側シール５８ｂと同様の形状を有している。

図４に示すように、外側シール５８ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス流路４２とを連通する連通路形成用の複数の受部６４と、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと前記酸化剤ガス流路４２とを連通する連通路形成用の複数の受部６６とを設ける。

図１及び図４示すように、アノード側金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体流路４６とを連通する連通路形成用の複数の受部６８と、冷却媒体出口連通孔３２ｂと前記冷却媒体流路４６とを連通する連通路形成用の複数の受部７０とが設けられる。面１８ｂには、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、それぞれ複数の受部７２、７４が設けられる。

図１に示すように、受部７２、７４の近傍には、内側シール５８ｄの外方に位置して、それぞれ複数の供給孔部７６及び排出孔部７８が形成される。供給孔部７６と排出孔部７８は、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａで内側シール５８ｂの内方に且つ燃料ガス流路４４の入口側と出口側とに対応して貫通形成される（図４参照）。

次いで、燃料電池１０を組み付ける作業について、以下に説明する。

アノード側金属セパレータ１８に第２シール部材５６が一体化される一方、カソード側金属セパレータ２０に第１シール部材５０が一体化される。その際、アノード側金属セパレータ１８では、プレス加工によって両方の面１８ａ、１８ｂに燃料ガス流路４４及び冷却媒体流路４６が形成されている。

先ず、図５に示すように、アノード側金属セパレータ１８は、シール成形用金型８０内に配置される。金型８０は、第１型８２と第２型８４とを備え、前記第１及び第２型８２、８４間には、キャビティ８６と逃げ８８とが形成される。この逃げ８８は、燃料ガス流路４４及び冷却媒体流路４６を構成する波形状部分を収容する。逃げ８８とキャビティ８６との間には、アノード側金属セパレータ１８に接触する型押さえ部８２ａ、８４ａが距離Ｈ１にわたって設けられる。

キャビティ８６は、第２シール部材５６の形状に対応しており、このキャビティ８６の内側（凸部４４ａ側）端部には、閉塞シール６０の形状に対応する突起状キャビティ８６ａが連通する。キャビティ８６ａは、第２型８４に設けられており、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａから離間する方向に角度θ°（３０°＜θ°＜６０°）だけ傾斜する。このキャビティ８６ａの長さＨ２は、閉塞シール６０が凸部４４ａの近傍まで覆って所望の閉塞機能を有する寸法に設定される。

そこで、第１及び第２型８２、８４がアノード側金属セパレータ１８を挟持して型締めされた状態で、キャビティ８６、８６ａに溶融ゴムが充填される。このため、所定の時間だけ経過すると、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、第２シール部材５６が一体化されるとともに、前記第２シール部材５６を構成する内側シール５８ｂの内周端部には、アノード側金属セパレータ１８から離間する方向に傾斜して閉塞シール６０が一体的に突出形成される。

さらに、第１及び第２型８２、８４が型開きされ、アノード側金属セパレータ１８が金型８０から離型される。一方、カソード側金属セパレータ２０では、図示しないシール成形用金型を介してこのカソード側金属セパレータ２０の両方の面２０ａ、２０ｂに第１シール部材５０が一体化される。

次いで、電解質膜・電極構造体１６を挟んでアノード側金属セパレータ１８及びカソード側金属セパレータ２０が配置され、積層方向（矢印Ａ方向）にプレスされる。従って、図２に示すように、閉塞シール６０は、アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ側に揺動し、内側シール５８ｂの内周端部と、前記内周端部に隣接する燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの間隙を閉塞する。これにより、発電セル１２が構成され、前記発電セル１２が所定数だけ積層されるとともに、積層方向に締め付け保持されることによって、燃料電池１０が組み付けられる。

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。

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。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４２に導入され（図１及び図３参照）、矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動して電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部７６を通ってアノード側金属セパレータ１８の燃料ガス流路４４に導入される（図４参照）。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に供給される（図１参照）。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極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て発電が行われる。

次いで、カソード側電極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。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部７８を通り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。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、アノード側金属セパレータ１８とカソード側金属セパレータ２０との間の冷却媒体流路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（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、アノード側金属セパレータ１８に設けられている第２シール部材５６が、内側シール５８ｂの内周端部に一体化される複数の閉塞シール６０を有している。そして、この閉塞シール６０は、内側シール５８ｂの内周端部と、該内周端部に隣接する燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの間隙を閉塞している。

このため、内側シール５８ｂと凸部４４ａとの間隙には、短絡ガス通路が形成されることがない。従って、燃料電池１０内に供給された反応ガスである燃料ガスは、電極反応面の外周を通過してショートカットが発生することを確実に阻止される。これにより、発電に利用されない燃料ガスを良好に削減することが可能になり、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行されるという効果が得られる。

また、閉塞シール６０は、内側シール５８ｂの内周端部に一体的に形成されている。すなわち、第２シール部材５６を製造する際に、内側シール５８ｂ及び外側シール５８ａと閉塞シール６０とを同時に成形することができ、前記第２シール部材５６全体の製造作業が有効に簡素化される。

さらにまた、燃料ガス流路４４は、折り返し部を有する蛇行流路を構成している。このため、圧力差が大きくなる折り返し部においても、閉塞シール６０を介して燃料ガスの洩れ、すなわち、ショートカットを良好に阻止することが可能になる。

また、閉塞シール６０は、内側シール５８ｂの内周端部に一体的に形成されてアノード側金属セパレータ１８の面１８ａから離間する方向に突出している。従って、図５に示すように、シール成形時に型押さえ部８４ａが前記アノード側金属セパレータ１８に接触する型押さえ面を、前記閉塞シール６０によって確実に閉塞することができる。

すなわち、閉塞シール６０を有する第２シール部材５６がアノード側金属セパレータ１８に一体化された後、燃料電池１０全体が締め付け保持される際に、前記閉塞シール６０が前記アノード側金属セパレータ１８の面１８ａ側に変形して型押さえ面を閉塞する。これにより、第２シール部材５６全体の製造作業が簡素化されるとともに、短絡ガス流路を良好に閉塞することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態でも同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池９０を構成する各発電セル９２は、アノード側金属セパレータ９４を備え、このアノード側金属セパレータ９４の面９４ａ、９４ｂには、第２シール部材９６が一体化される。第２シール部材９６は、面９４ａに設けられる外側シール５８ａと内側シール５８ｂとを備え、前記内側シール５８ｂの内周端部と凸部４４ａとの間隙には、複数の閉塞シール９８が所定の位置に配置される（図６及び図７参照）。閉塞シール９８は、第２シール部材９６とは別体に構成されており、予めライン状に成形されるとともに、好ましくは、前記第２シール部材９６と同一の材質で形成される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池９０内に供給された燃料ガスが燃料ガス流路４４をショートカットして電極反応面の外周を通過することを確実に阻止することができ、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の断面説明図である。

燃料電池１００を構成する各発電セル１０２は、アノード側金属セパレータ１０４を備え、このアノード側金属セパレータ１０４の面１０４ａ、１０４ｂには、第２シール部材１０６が一体化される。第２シール部材１０６は、面１０４ａに設けられる外側シール５８ａと内側シール５８ｂとを備え、前記内側シール５８ｂと凸部４４ａとの間隙には、複数の液状シール（閉塞シール）１０８が所定の位置に設けられる（図８及び図９参照）。

液状シール１０８を設ける際には、先ず、図１０に示すように、アノード側金属セパレータ１０４とカソード側金属セパレータ２０とが離間して配置された状態で、内側シール５８ｂと凸部４４ａとの間に前記液状シール１０８が塗布される。次いで、図１１に示すように、アノード側金属セパレータ１０４とカソード側金属セパレータ２０とが、互いに近接する方向に移動した後、燃料電池１００には、積層方向に向かってプレス処理が施される。

その際、図８に示すように、燃料電池１０に使用時の荷重が付与された状態での液状シール１０８の断面積Ｓ１は、前記燃料電池１０の組み付け前の前記液状シール１０８の塗布断面積Ｓ２（図９参照）よりも小さく設定される（Ｓ１＜Ｓ２）。

これにより、液状シール１０８は、使用時の荷重に相当するプレス荷重が付与された状態で硬化するため、前記液状シール１０８は、内側シール５８ｂと凸部４４ａとの間隙に確実に充填されて閉塞率の高い閉塞シールが構成される（図８参照）。従って、第３の実施形態では、簡単な構成で、効率的な発電が遂行される等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する発電セル１２２の要部分解斜視説明図である。

発電セル１２２には、電解質膜・電極構造体１２４とアノード側金属セパレータ１２６及びカソード側金属セパレータ１２８とを備える。電解質膜・電極構造体１２４は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ等の連通孔が設けられた固体高分子電解質膜３６ａと、前記固体高分子電解質膜３６ａを挟持するアノード側電極３８ａ及びカソード側電極４０ａとを有する。アノード側電極３８ａとカソード側電極４０ａとは、略同一の表面積に設定される（図１３参照）。

カソード側金属セパレータ１２８の面１２８ａ、１２８ｂには、このカソード側金属セパレータ１２８の外周端部を周回して、第１シール部材１３０が一体化される。この第１シール部材１３０は、面１２８ａ側に設けられて固体高分子電解質膜３６ａに直接接触する額縁状シール面１３２を備える。額縁状シール面１３２の内周端部と、前記内周端部に隣接する酸化剤ガス流路４２の凸部４２ａとの間隙には、複数の閉塞シール６０が形成される。

アノード側金属セパレータ１２６の面１２６ａ、１２６ｂには、このアノード側金属セパレータ１２６の外周端部を周回して、第２シール部材１３４が一体化される。この第２シール部材１３４は、面１２６ａに設けられて固体高分子電解質膜３６ａに直接接触する第１額縁状シール面１３６と、面１２６ｂに設けられてカソード側金属セパレータ１２８の第１シール部材１３０に接触する第２額縁状シール面１３８とを備える。第１額縁状シール面１３６の内周端部と、前記内周端部に隣接する燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの間隙には、複数の閉塞シール６０が形成される。

このように構成される第４の実施形態では、アノード側金属セパレータ１２６とカソード側金属セパレータ１２８とで電解質膜・電極構造体１２４を挟持する。その際、第１及び第２シール部材１３０、１３４の額縁状シール面１３２と第１額縁状シール面１３６とは、電解質膜・電極構造体１２４の固体高分子電解質膜３６ａを挟持するとともに、前記第１及び第２シール部材１３０、１３４には、それぞれ複数の閉塞シール６０が設けられている。

ここで、閉塞シール６０は、額縁状シール面１３２の内周端部と、内周端部に隣接する酸化剤ガス流路４２の凸部４２ａとの隙間、及び第１額縁状シール面１３６の内周端部と、該内周端部に隣接する燃料ガス流路４４の凸部４４ａとの隙間を各々閉塞している（図１３参照）。

従って、燃料電池１２０内に供給された反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスは、電極反応面の外周を通過してショートカットが発生することを確実に阻止され、簡単な構成で、効率的且つ経済的な発電が遂行される等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の閉塞シール６０を用いているが、これに限定されるものではなく、第２の実施形態の閉塞シール９８や第３の実施形態の液状シール１０８等を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 前記アノード側金属セパレータに第２シール部材を一体化する金型の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 前記アノード側金属セパレータとカソード側金属セパレータとの間に液状シールを塗布する際の説明図である。 前記液状シールを前記アノード側金属セパレータと前記カソード側金属セパレータとで挟持する際の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示されたシール構造の説明図である。

符号の説明

１０、９０、１００、１２０…燃料電池
１２、９２、１０２、１２２…発電セル
１６、１２４…電解質膜・電極構造体
１８、９４、１０４、１２６…アノード側金属セパレータ
２０、１２８…カソード側金属セパレータ
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、３６ａ…固体高分子電解質膜
３８、３８ａ…アノード側電極 ４０、４０ａ…カソード側電極
４２…酸化剤ガス流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路
５０、５６、９６、１０６、１３０、１３４…シール部材
５２、５４…平面部 ５８ａ、５８ｃ…外側シール
５８ｂ、５８ｄ…内側シール ６０、９８…閉塞シール
６４、６６、６８、７０、７２、７４…受部
７６…供給孔部 ７８…排出孔部
８０…金型 ８２、８４…型
８６、８６ａ…キャビティ １０８…液状シール
１３２、１３６、１３８…額縁状シール面

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に第１の電極と第２の電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第１及び第２のセパレータ間に配設するとともに、前記第１及び第２のセパレータには、それぞれ所定の反応ガスを前記第１及び第２の電極に沿って供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
   少なくとも前記第１のセパレータには、該第１のセパレータの外周縁部を覆ってシール部材が設けられるとともに、前記シール部材は、前記第１の電極に対向する額縁状シール面を有し、
   前記額縁状シール面の内周端部と、前記内周端部に隣接する前記反応ガス流路の凸部との間隙には、該間隙に沿って反応ガスが流通することを阻止する複数の閉塞シールが設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記閉塞シールは、前記額縁状シール面の内周端部に一体的に形成され、前記第１のセパレータから離間する方向に傾斜して突出することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記閉塞シールは、前記額縁状シール面の内周端部と前記反応ガス流路の凸部との隙間に充填される複数の液状シールであることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、前記閉塞シールは、前記額縁状シール面の内周端部と前記反応ガス流路の凸部との間隙に配設される複数の固形シールであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１及び第２のセパレータは、前記第１及び第２の電極にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス流路を面方向に沿って設けるとともに、
   前記反応ガス流路は、折り返し部を有する蛇行流路を構成することを特徴とする燃料電池。

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