JP2007103248A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材のはみ出しを抑制する燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】厚み方向の貫通孔を備えたセパレータと膜電極接合体とを交互に複数積層して形成する燃料電池であって、前記積層されたセパレータの貫通孔によって、前記燃料電池の内部に該燃料電池に係わる流体用のマニホールドを形成し、前記積層において、前記燃料電池内部の流体の外部への漏れを抑えるシール部材を介装し、前記シール部材は、前記貫通孔を囲み、前記積層方向に凸形状の断面を有するシールラインを備え、前記シールラインの少なくとも一部に、前記セパレータ外周から前記シール部材がはみ出す方向への前記シールラインの変形を抑制する抑制部を設けた燃料電池とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは反応ガスの漏れを抑えるシールの構造に関する。

従来から、車両に搭載する燃料電池として、種々の構造が検討されている。この種の燃料電池は、固体高分子の電解質膜に電極を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側にセパレータを配置して形成される単セルを複数積層し、両端から所定の圧力をかけて保持する構造を、基本構造としている。各セパレータには外部から供給される反応ガスが通過する貫通孔が設けてあり、複数のセパレータを積層することで、反応ガスの流路としてのマニホールドが燃料電池内部に形成されている。

こうした基本構造を有する燃料電池の一例として、下記特許文献１には、三つのプレートを積層して形成したセパレータと、膜電極構造体とを積層した構造が開示されている。

特開２００４−６１０４号公報

ところで、こうした内部にマニホールドを有する燃料電池では、燃料電池外部への反応ガスの漏れを抑制するために、積層過程でシール部材を介装している。こうしたシール部材は、組付け時の所定の圧力により固定されているが、マニホールド内を流れる反応ガスの圧力を受けて、シール部材が燃料電池の外周からはみ出すことがあった。その結果、燃料電池内部のシール性が低下してしまうことがあった。

こうした問題に対応するため、シール部材の外周などに補強枠などを設け、マニホールド内の圧力を受けても、シール部材がはみ出さないような構成を採ることも考えられるが、部品点数や製造工程が増えると共に、燃料電池自体の重量も増大し、現実的ではなかった。そのため、シール部材自体の構造によって、外周へのはみ出しに対応することが望まれていた。

本発明は、シール部材がはみ出すといった問題を踏まえて、シール部材のはみ出しを抑制する燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、厚み方向の貫通孔を備えたセパレータと膜電極接合体とを交互に複数積層して形成する燃料電池であって、前記積層されたセパレータの貫通孔によって、前記燃料電池の内部に該燃料電池に係わる流体用のマニホールドを形成し、前記積層において、前記燃料電池内部の流体の外部への漏れを抑えるシール部材を介装し、前記シール部材は、前記貫通孔を囲み、前記積層方向に凸形状の断面を有するシールラインを備え、前記シールラインの少なくとも一部に、前記セパレータ外周から前記シール部材がはみ出す方向への前記シールラインの変形を抑制する抑制部を設けたことを要旨としている。

本発明の燃料電池によれば、マニホールドを形成する貫通孔を囲み、燃料電池内部の流体の外部への漏れを抑えるシールライン自体の少なくとも一部に、シール部材がはみ出す方向へのシールラインの変形を抑制する抑制部を設ける。つまり、マニホールド内を流れる流体の圧力を受けて変形しようとするシールラインは、セパレータ外周からはみ出す方向への変形が抑制され、それ以外の方向に変形する。したがって、流体の圧力によるシール部材のはみ出しを抑制することができ、燃料電池内部からの流体の漏れを適切に抑制することができる。なお、燃料電池に係わる流体としては、例えば、反応ガス、冷媒流体、反応オフガス、反応生成流体等が含まれる。

上記の構成を有する燃料電池のシール部材は、前記抑制部として、前記シールラインを波形状に形成するものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、波形の形状により貫通孔を囲むシールラインを形成する。このシールラインに流体の圧力が作用すると、シールラインの各部には、波形の形状に沿って外向きの方向に力が働く。つまり、波形に形成することで、単に直線状に形成したものに比べて、一方向の変形に対して強い構造とすることができる。したがって、セパレータ外周からはみ出す方向への変形を抑制することができる。その結果、燃料電池内部からの流体の漏れを適切に抑制することができる。

上記の構成を有する燃料電池のシールラインは、前記貫通孔からシールライン幅方向の両側への変位量を同じく形成した単位を、該貫通孔を囲む周方向に繰り返すことで波形を構成し、前記幅方向両側への変位量が、前記周方向の繰り返しの幅よりも大きくなるように形成するものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、シールラインの幅方向両側への変位量が、周方向の繰り返しの幅よりも大きくなるように波形のシールラインを形成する。かかるシールラインに圧力が作用すると、シールライン周方向への力が発生し、シールライン幅方向への変形を抑制する。つまり、こうした構成を採ることにより、所定方向への変形を抑制することができる。したがって、セパレータ外周からはみ出す方向への変形を抑制し、燃料電池内部からの流体の漏れを適切に抑制することができる。

上記の構成を有する燃料電池は、さらに、シールライン幅方向の変位が最大となる付近における当該シールラインの幅を、該最大となる付近以外における当該シールラインの幅よりも大きく形成するものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、波形状のシールラインの幅を、幅方向の変位が最大となる付近で大きく形成する。こうして形成した幅の大きい部分は変形に対する剛性が増す。したがって、シールラインの変形を抑制することができる。

上記の構成を有する燃料電池の貫通孔は、前記セパレータ外周の一辺に対して並行に長辺を有する略長方形の孔であり、前記シール部材は、前記貫通孔を囲む略長方形のシールラインの長辺のうち、少なくとも前記セパレータ外周に近い方に前記抑制部を設けるものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、略長方形のシールラインを構成する２つの長辺のうち、セパレータ外周に近い方に抑制部を設ける。つまり、シールラインの４辺のうち、特に、圧力を受けてセパレータ外周からはみ出し易い箇所に、抑制部を設ける。したがって、セパレータ外周からはみ出す方向への変形を抑制し、燃料電池内部からの流体の漏れを適切に抑制することができる。

上記の構成を有する燃料電池のシール部材は、前記シールラインの外周に、前記積層方向に凸形状の断面を有する第２のシールラインを備えるものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、シールラインの外周に、第２のシールラインを備える。換言すると、二重のシール構造を設ける。したがって、流体の圧力によりシールラインが変形し、シールラインからわずかに流体が漏れても、第２のシールラインにより燃料電池の外部への流体の漏れを抑えることができる。

上記の構成を有する燃料電池のシール部材は、前記膜電極接合体を取り囲み、当該膜電極接合体と一体で構成されるものとしても良い。こうすることで、部品点数を減らし、組立工数を低減することができる。

上記の構成を有する燃料電池において、セパレータは、三つの金属プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータであり、前記シール部材は、前記膜電極接合体を取り囲み、該膜電極接合体と一体で構成し、前記三層積層型のセパレータと、前記一体構造の膜電極接合体とを交互に複数積層して形成するものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、シール部材を膜電極接合体と一体で構成し、三層積層型のセパレータと一体構造の膜電極接合体とを交互に複数積層して、燃料電池を形成する。シール部材を一体構造とすることで、部品点数を減らし、組立工数を低減することができる。また、シール部材のはみ出しが懸念される三層積層型のセパレータからなる燃料電池に、本シール部材の構造を適用することで、流体の漏れの抑制に大きな効果を奏する。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．第１のシールライン：
Ｃ．第２のシールライン：
Ｄ．第３のシールライン：
Ｅ．変形例：

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池を含む燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池１０、燃料電池１０に水素ガスを供給する水素タンク１００、燃料電池１０に酸素を含有する空気を供給するコンプレッサ１１０、燃料電池１０を冷却するラジエータ１２０、燃料電池１０の電力を蓄電するバッテリー１４０、燃料電池１０の電力等により駆動する走行モータ１６０などを備え、車両に搭載されている。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜や電極やセパレータなどを有する複数のモジュール２０の両端に、ターミナル３４、インシュレータ３３、エンドプレート３０を順に備えて構成される。エンドプレート３０は、水素，酸素，冷却水等の供給口や排出口を有すると共に、テンションプレート３１と結合するボルト３２の締結部を備えている。このボルト３２によって、複数積層されたモジュール２０の両端のエンドプレート３０間をテンションプレート３１で接続することで、各モジュール２０の積層方向に所定の圧縮力を与えている。セパレータには、厚み方向に複数の貫通孔が設けられており、複数のモジュール２０を積層することで、内部に複数のマニホールドを形成する。この各マニホールドの位置と、エンドプレート３０の給排口の位置とは対応しており、外部からの各種流体は滞り無く各モジュール２０に供給されている。なお、モジュール２０やセパレータの詳細構造については後述する。

水素タンク１００は、こうして形成される燃料電池１０に水素ガスを供給する供給源であり、高圧の水素ガスを貯留している。水素タンク１００と燃料電池１０とは、水素供給配管１０４で接続され、水素タンク１００からの高圧の水素ガスは、水素供給配管１０４上に設けた減圧バルブ１０２によって、所定の圧力に減圧されて燃料電池１０内に供給される。供給された水素ガスは上記の反応に使用されると共に、反応に供しきれず、水素排出配管１０６から排出された一部の水素ガスは、水素排出配管１０６上に設けた循環ポンプ１０８により、供給側へ循環される。

コンプレッサ１１０は、燃料電池１０に空気を供給する供給源であり、大気中の空気を吸い込み、これを燃料電池１０に供給している。コンプレッサ１００と燃料電池１０とは、空気供給配管１１２により接続され、外部からの空気は空気供給配管１１２を通って燃料電池１０内に供給される。供給された空気は上記の反応に使用され、反応後のガスは空気排出配管１１５から外部へ排出される。

こうして供給される水素ガス，空気による反応は、発熱反応である。ラジエータ１２０と燃料電池１０とは、冷却水供給配管１２１と冷却水排出配管１２２とによって接続されており、ラジエータ１２０を介して冷却水を循環させることで、燃料電池１０内の温度上昇を所定範囲に収めている。なお、冷却水の循環は、冷却水供給配管１２１上に設けたポンプ１２５を駆動することで行なわれる。

燃料電池１０内の反応による電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を介してバッテリー１４０に蓄電されると共に、インバータ１５０を介して走行モータ１６０の回転動力に使用される。

図２は、燃料電池１０のモジュール２０の概略構造を示す断面図である。この断面図は、略長方形の表面に所定の厚みを備えたモジュール２０を厚み方向に切断した断面を示している。図示するように、モジュール２０は、単セル４０と、その両端に配置したセパレータ５０の一部とから構成されている。単セル４０は、電解質膜を含むＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４２と、ＭＥＡ４２の外側に配置された第２ガス拡散層４４，４６と、主にＭＥＡ４２の外周を覆うシール部材４８とを有し、これらを一体で形成してなる。

ＭＥＡ４２は、薄膜である電解質膜の表面に、それぞれ電極（アノード、カソード）を備え、各電極の外側に第１のガス拡散層を備えている。電解質膜は、プロトン伝導性を備える固体高分子材料からなり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電極は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金などを備えている。第１ガス拡散層は、カーボン製の多孔質体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。こうした材料からなる各部は、接合により一体化されてＭＥＡ４２となる。

第２ガス拡散層４４，４６は、発泡金属や金属メッシュなど、内部に多数の細孔を備えた金属製の多孔質体から形成されている。この内部の細孔により形成される空間は、単セル４０内の空気，水素ガスの流路として機能する。つまり、第２ガス拡散層４４は、ＭＥＡ４２のカソード側とセパレータ５０との空間に配置されて空気の流路として働き、第２ガス拡散層４６は、ＭＥＡ４２のアノード側とセパレータ５０との空間に配置されて水素ガスの流路として働く。この多孔質体からなる流路に供給された空気，水素ガスは、流路を流れる過程でＭＥＡ４２のそれぞれの表面に拡散される。ＭＥＡ４２に供給された空気，水素ガスは、第１ガス拡散層により拡散され、それぞれの電極に到達し、電解質膜を介して反応する。以下、ＭＥＡ４２に第２ガス拡散層４４，４６を備えた構造をＭＥＧＡ４７と呼ぶ。

シール部材４８は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂材料により形成され、ＭＥＧＡ４７と一体化されている。具体的には、シール部材４８は、ＭＥＧＡ４７の外周に射出成形され、多孔質体の隙間に絶縁性樹脂材料を含浸させることでＭＥＧＡ４７と一体化される。こうしてシール部材４８は、ＭＥＧＡ４７と隙間なく接合される。以下、こうした構成の単セル４０を、シール一体構造のＭＥＧＡ４７と呼ぶ。

このシール部材４８には、燃料電池１０内部の各マニホールドの孔を覆い囲む凸部が形成され、その凸部に囲まれた内部領域はマニホールドの孔に対応する孔が形成されている。こうしたシール一体構造のＭＥＧＡ４７とセパレータ５０を交互に積層して、テンションプレート３１による積層方向の圧縮力を与えると、シール部材４８の凸部は、２つの隣接するセパレータ５０に接触し、積層方向に潰れて変形する。その結果、凸部は、マニホールド内からの反応ガス（空気、水素ガス）、冷却水，反応オフガスや生成水など、燃料電池内の流体の漏れを抑制するシールラインＳＬを形成している。

本実施例の燃料電池１０は、上記のように、シール一体構造のＭＥＧＡ４７とセパレータ５０を交互に積層して形成される。すなわち、シール部材４８は、２つの隣接するセパレータ５０に挟持されて固定され、シール部材４８よりも剛性の高い樹脂フレームなどをセパレータ５０間に設ける必要がない。したがって、部品点数や組み立て工数を低減すると共に、燃料電池１０の容積、重量を低減することができる。

次に、セパレータ５０の詳細構造について説明する。セパレータ５０は、第２ガス拡散層４４と接触するカソード側プレート５２と、第２ガス拡散層４６と接触するアノード側プレート５４と、両プレートの中間に配置される中間プレート５３との３つのプレートを備え、カソード側プレート５２，中間プレート５３，アノード側プレート５４の順に積層して形成される。

図３は、カソード側プレート５２の平面形状を示す説明図である。図示するように、カソード側プレート５２は、略長方形の外形形状に形成され、長方形の４辺に沿って１０個の略長方形の貫通孔６０〜６５を備えている。このうち、一方の長辺に沿って３つの空気供給用（Ｏ₂inと記す）の貫通孔６０を、他方の長辺に沿って３つの空気排出用（Ｏ₂outと記す）の貫通孔６１を、それぞれ備え、貫通孔６０，６１から所定距離、長方形の内側に方向に、略円形の孔５５，５６を有している。また、略長方形の一方の短辺に沿って、水素ガス供給用（Ｈ₂inと記す）の貫通孔６２と冷却水供給用（水inと記す）の貫通孔６４とを、他方の短辺に沿って、水素ガス排出用（Ｈ₂outと記す）の貫通孔６３と冷却水排出用（水outと記す）の貫通孔６５とを、それぞれ備えている。

図４は、アノード側プレート５４の平面形状を示す説明図である。図示するように、アノード側プレート５４は、カソード側プレート５２と同一の外形形状に形成され、カソード側プレート５２と同一の位置に、同一形状の貫通孔６０〜６５を備えている。なお、ここでは理解を容易にするために、貫通孔にカソード側プレート５２と同一の符号を付している。このアノード側プレート５４は、水素ガス供給用の貫通孔６２および水素ガス排出用の貫通孔６３から所定距離、長方形の内側に方向に、略円形の孔５７，５８を有している。

図５は、中間プレート５３の平面形状を示す説明図である。図示するように、中間プレート５３は、カソード側プレート５２と同一の略長方形の外形形状に形成されている。長方形の一方の長辺に沿って設けられた３つの空気供給用（Ｏ₂inと記す）の貫通孔６０ａは、図３に示したカソード側プレート５２の貫通孔６０と孔５５とを接続した形状で形成され、他方の長辺に沿って設けられた３つの空気排出用（Ｏ₂outと記す）の貫通孔６１ａは、カソード側プレート５２の貫通孔６１と孔５６とを接続した形状で形成されている。同様に、長方形の一方の短辺に沿って設けられた水素ガス供給用（Ｈ₂inと記す）の貫通孔６２ａは、図４に示したアノード側プレート５４の貫通孔６２と孔５７とを接続した外形で形成され、他方の短辺に沿って設けられた水素ガス排出用（Ｈ₂outと記す）の貫通孔６３ａは、アノード側プレート５４の貫通孔６３と孔５８とを接続した外形で形成されている。さらに、中間プレート５３は、図３に示した冷却水供給用の貫通孔６４の位置から冷却水排出用の貫通孔６５の位置まで、直線状に形成した細長い穴部６６を複数備えている。

こうした平面形状の３つのプレートは、流路などの凹凸形状のない平坦な表面を有し、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。これらのプレートを重ね合わせて接合することで、セパレータ５０が完成する。かかる構造のセパレータ５０は、三層積層型のセパレータと呼ばれる。なお、図３，図４，図５に矢印で示したＡＡ断面が、図２に示したセパレータ５０の断面形状に該当している。

このセパレータ５０のカソード側プレート５２の空気供給用の貫通孔６０に供給された空気、つまり、図３の紙面の表側から裏側へ向かって流れる空気は、中間プレート５３の貫通孔６０ａ，アノード側プレート５４の貫通孔６０を流れると共に、中間プレート５３の貫通孔６０ａにより、その一部は、カソード側プレート５２の孔５５を流れる。すなわち、図３の紙面の裏側から表側へ向かって空気が流れる。こうしてセパレータ５０の表面に流れる空気は、セパレータ５０と隣接するＭＥＧＡ４７の第２ガス拡散層４４内を流れ、反応に供されつつ、カソード側プレート５２の孔５６を流れる（図３の紙面の表側から裏側へ流れる）。そして、中間プレート５３の貫通孔６１ａにより、アノード側プレート５４の貫通孔６１，中間プレート５３の貫通孔６１ａを流れる空気と合流し、カソード側プレート５２の貫通孔６１を図３の紙面の表側へ向かって流れる。水素ガスも、空気と同様、中間プレート５３の貫通孔６２ａ，６３ａを介して、セパレータ５０と隣接するＭＥＧＡ４７の第２ガス拡散層４６内を流れる。冷却水も同様に、中間プレート５３の穴部６６を介して、滞りなく循環する。

こうした平坦なプレートを積層してセパレータ５０を構成し、多孔質体で流路を形成したＭＥＧＡ４７を用いることで、エッチング等の複雑な製造方法による流路用の溝を形成する必要がない。

このセパレータ５０を複数積層して形成されるマニホールド内の反応ガスは、１００ｋＰａ程度の圧力をもって流れる。そのため、セパレータ５０間のシールラインＳＬにはマニホールド内の内圧が働く。この内圧によって、シールラインＳＬ（シール部材４８）は、膨張する方向へ変形しようとする。つまり、セパレータ５０の外周からはみ出す方向へ変形しようとする。本実施例では、このシールラインＳＬにセパレータ５０の外周からはみ出す方向への変形を抑制する抑制部を設けている。以下、この抑制部を備えたシールラインＳＬの形状について説明する。

Ｂ．第１のシールライン：
図６は、シール一体構造のＭＥＧＡ４７の平面形状を示す説明図である。図示するように、ＭＥＧＡ４７の外周を覆うシール部材４８には、セパレータ５０の各貫通孔６０〜６５（各マニホールドの孔）に対応した位置、大きさの孔が備えられ、各孔の周りに第１のシールラインＳＬが設けてある。このシールラインＳＬは、略長方形のマニホールドの孔の外周に沿って、滑らかな曲線を描く波形状に形成されている。この波形状のシールラインＳＬは、貫通孔６０〜６５を囲む周方向に、貫通孔６０〜６５からシールライン幅方向の両側への変位を同じく形成した単位を繰り返すことで、形成されている。以下、シールライン幅方向の変位を波の振幅と、周方向の繰り返しの単位を波の周期の幅と呼ぶこととする。

図７は、一のマニホールド付近の第１のシールラインＳＬの形状を示す拡大図である。図示するシールラインＳＬは、図６に示した空気供給用の貫通孔６０の一つを拡大したものである（図６のＤ部分参照）。図中のＸ方向は、略長方形のマニホールドの長辺の方向を示し、Ｙ方向は、短辺の方向を示している。図示するように、このシールラインＳＬは、波の振幅ａが波の周期の幅ｂよりも大きくなるように設定されている。こうした波形状のシールラインＳＬに内圧がかかると、シールラインＳＬの各部には、波形状に沿って均等に圧力が働き、シールラインＳＬは変形する。

図８は、シールラインＳＬの変形の様子を示す説明図である。図８のシールラインＳＬは、図７に示した波形状のシールラインＳＬの一部分（Ｅ部分）の拡大図を示している。図示する破線は、変形前（内圧がかかる前）のシールラインＳＬの形状を、実線は、変形後（内圧がかかった状態）のシールラインＳＬの形状を、それぞれ示している。

図示するように、波形状のシールラインＳＬは、内圧を受けて、マニホールドの長辺方向であるＸ方向に主として変形する。換言すると、マニホールドの短辺方向であるＹ方向への変形は、Ｘ方向の変形に比べて小さく抑えられている。

本実施例のシールラインＳＬは、上述のように、振幅ａが周期の幅ｂよりも大きく設定している。そのため、長辺の１辺について見ると、内圧を受ける受圧面積は、Ｙ方向よりもＸ方向が大きくなる。つまり、波形状にシールラインＳＬを形成してＸ方向の受圧面積を大きくすることで、シールラインＳＬにＸ方向の力を発生させる。こうしたＸ方向の力によって、シール部材４８全体として、Ｙ方向への変形を抑制している。

通常、多くのシールラインは直線状に形成されるが、この場合、直線状のシールラインの各部の圧力変位は連続し、全体として大きな変位となる。これに対して、シールラインＳＬを波形状に形成することで、各部の圧力による変位が連続し難い構造を採ることができる。さらには、シールラインＳＬの波形のうち、Ｙ方向に伸びた部分は、シールラインＳＬ全体のＹ方向への変位を妨げるリブとしての役割も果たす。したがって、Ｙ方向への変形を抑制することができる。

以上のように波形状にシールラインＳＬを形成することで、内圧を受けるシールラインＳＬの一の方向への変形を抑制することができる。変形を抑制する方向として、セパレータからシール部材がはみ出す方向を設定することで、シール部材のはみ出しを抑制でき、燃料電池内部からの反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

特に、セパレータ間にシール部材を挟み、モジュールの積層方向への圧縮力によりシール部材を保持する構成の燃料電池の場合に、波形状のシールラインＳＬを採用することで、ガスの漏れの抑制に効果を奏する。こうしてシール部材の信頼性を向上することで、シール部材の変形（ずれ）を防止する部材や構成を採る必要がなくなり、部品点数を低減し、構造を簡素化することができると共に、燃料電池全体の容積や重量を低減することができる。その結果、製造コストを抑え、量産性を向上することができる。

なお、本実施例では振幅ａが周期の幅ｂよりも大きくなる波形形状としたが、これに限るものではない。少なくとも波形状であれば、直線状にシールラインを形成する場合に比べ、一方向の変形に対して強い構造とすることができ、シール部材のセパレータ外周からのはみ出しと抑制することができる。

また、本実施例では、マニホールドの孔の全周に渡って、波形形状のシールラインＳＬを形成するものとしたが、特に変形の抑制を所望する一部分のシールラインＳＬを波形状に形成するものとしても良い。

図９は、シールラインＳＬの一部分を波形状に形成した一例である。図示するように、この例では、略長方形のシールラインＳＬの２つの長辺のうち、セパレータ５０の外周に近い方に、波形形状を設けてシールラインＳＬを構成している。なお、図中のＸ方向は、略長方形のマニホールドの長辺の方向を示し、Ｙ方向は、短辺の方向を示している。

上述のように、シールラインＳＬを含むシール部材４８は弾性を有する絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＡ４２を含むＭＥＧＡ４７に比べて剛性が低い材料である。すなわち、シールラインＳＬの４辺のうち、ＭＥＧＡ４７側はＭＥＧＡ４７の剛性の影響を受けて、もともと変形し難い部分となっており、内圧の影響は、専らシール部材４８をセパレータ５０外周からはみ出す方向へ及ぶ。こうしたはみ出し易い箇所に、波形形状を設けることで、セパレータ外周からはみ出す方向への変形を抑制し、燃料電池内部からの反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

Ｃ．第２のシールライン：
図１０は、一のマニホールド付近の第２のシールラインＳＬ２の形状を示す拡大図である。図１０（ａ）は、シールラインＳＬ２の平面図を示し、図１０（ｂ）は、シールラインＳＬ２の一の断面形状（ＢＢ断面）を示している。なお、図中のＸ方向は、略長方形のマニホールドの長辺の方向を、Ｙ方向は、短辺の方向（セパレータ外周からはみ出す方向）を、それぞれ示している。

図１０（ａ）に示すように、第２のシールラインＳＬ２は、第１のシールラインＳＬと同様、波形形状であると共に、シールラインＳＬ２の幅を大きくした部分を設けている。幅を大きくした部分は、波の振幅方向に最大となる部分（シールライン幅方向の変位が最大となる付近）に設けられ、マニホールドの孔の方向に幅を広げて形成されている。

また、図１０（ｂ）に示すように、幅を大きく形成した部分は、シールラインＳＬ２で挟まれる領域に、余肉としての付加部分Ｆを設けて構成されている。この付加部分Ｆは、シールラインＳＬ２を形成する凸状の部分の高さよりも低く形成されている。つまり、幅を大きく形成した部分も、それ以外の部分も、シールラインＳＬ２を形成するための潰し代は均一となるように、付加部分Ｆを形成している。

こうした形状のシールラインＳＬ２に、内圧がかかると、シールラインＳＬ２が波形状に形成されているため、Ｙ方向、つまり、セパレータ５０外周からはみ出す方向への変形は抑制される。さらに、波の振幅方向に最大となる部分は、シールラインＳＬ２の幅が大きく、他の部分に比べて変形に対する剛性が高いため、セパレータ５０外周からはみ出す方向への変形は、より一層抑制される。

以上のように波形状にシールラインＳＬを形成し、波の振幅方向に最大となる部分の幅を大きくすることで、セパレータ外周からはみ出す方向への変形を抑制し、燃料電池内部からの反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

また、付加部分Ｆの形状は、幅を大きく形成した部分でも、それ以外の部分でも、潰し代が均一となるように形成されている。したがって、セパレータ５０間に所定の圧縮力を掛けることで、シール部材はほぼ均等に変形し、シールラインＳＬを形成することができる。つまり、複数のマニホールド毎のシールラインＳＬにかかる圧縮力のばらつきを低減することができ、シール性の低下を抑制することができる。さらには、付加部分Ｆを設けても、特にセパレータ５０間にかかる圧縮力を大きくする必要はない。したがって、既存の燃料電池への適用が容易となる。

なお、付加部分Ｆは、シールラインＳＬ２の全周に設けるものとしても良いし、特にセパレータ外周からのはみ出しが懸念される部分、例えば、略長方形の波形状のシールラインＳＬ２のセパレータ外周に近い一辺に設けるものとしても良い。

また、本実施例では、波の振幅方向に最大となる部分のみの幅を大きくするものとしたが、振幅方向に最小となる部分に、同様の付加部分を設けるものとしても良い。つまり、波の最大振幅付近に余肉としての付加部分を設けることで、シール部材のはみ出しを抑制でき、燃料電池内部からの反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

Ｄ．第３のシールライン：
図１１は、一のマニホールド付近の第３のシールラインＳＬ３の形状を示す拡大図である。図示するように、第３のシールラインＳＬ３は、第１のシールラインＳＬと同様、波形状のシールラインＳＬ３ａを備えると共に、その周りに略長方形のシールラインＳＬ３ｂを備えている。すなわち、二重構造に形成されている。以下、２つのシールラインを区別するために、波形状のシールラインＳＬ３ａを内側シールラインＳＬ３ａと、略長方形のシールラインＳＬ３ｂを外側シールラインＳＬ３ｂと、それぞれ呼ぶこととする。なお、図中のＸ方向は、略長方形のマニホールドの長辺の方向を、Ｙ方向は、短辺の方向（セパレータ外周からはみ出す方向）を、それぞれ示している。

外側シールラインＳＬ３ｂは、内側シールラインＳＬ３ａとは異なり、略長方形の各辺を直線状に形成されている。すなわち、従来からのシールラインと同様、単に、略長方形のマニホールドの孔の各辺に並行にシールラインを設けている。

この外側シールラインＳＬ３ｂは、内側シールラインＳＬ３ａと同じ幅に形成されている。つまり、外側シールラインＳＬ３ｂを構成するシール部材の断面形状は、内側シールラインＳＬ３ａの断面形状と同一形状に形成され、同じ潰れ代でシールラインを構成している。

こうした第３のシールラインＳＬ３に、内圧がかかると、その圧力は内側シールラインＳＬ３ａに働く。ここで内側シールラインＳＬ３ａの波形形状によって、内側シールラインＳＬ３ａは、Ｙ方向（セパレータ外周からはみ出す方向）への変形は抑制されると共に、Ｘ方向に主として変形する。このＸ方向への変形過程では、シールラインＳＬ３ａの位置が移動するため、内側シールラインＳＬ３ａから、わずかに反応ガスが漏れる場合がある。

わずかに漏れた反応ガスは、外側シールラインＳＬ３ｂによって、外部への流出が妨げられる。内側シールラインＳＬ３ａがＸ方向に変形しても、シールライン自体がセパレータ５０外周から大きくはみ出すことはなく、内側シールラインＳＬ３ａからのわずかな漏れは極瞬間的なものである。そのため、外側シールラインＳＬ３ｂにかかる圧力は、内側シールラインＳＬ３ａにかかる圧力よりも小さく、外側シールラインＳＬ３ｂはほとんど変形しない。

以上のように、波形状の内側シールラインの周りを外側シールラインで囲む二重構造でシールラインを構成することで、内側シールラインからわずかに反応ガスが漏れても、外側シールラインにより燃料電池の外部への反応ガスの漏れを抑えることができる。

なお、内側シールラインＳＬ３ａは、第２のシールラインＳＬ２と同様な形状としても良い。また、外側シールラインＳＬ３ｂは、内側シールラインＳＬ３ａと同様の波形形状により形成されるものとしても良い。いずれの場合も、シールライン（シール部材）のセパレータ５０外周からのはみ出しを抑え、燃料電池の外部への反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本実施例では、波形状のシールラインは、滑らかな曲線を形成するものとして説明したが、図１２に示すように、矩形波や三角形の波形であっても良い。こうした形状の波形であっても、内圧によってシールラインの各部に働く力が、一の方向（セパレータからシール部材がはみ出す方向）へ集中するのを回避し、燃料電池の外部への反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

また、本実施例では、シールラインを備えたシール部材をＭＥＧＡと共に一体構造であるとして説明したが、必ずしもシール部材は一体構造である必要はない。例えば、ＭＥＧＡを覆うフレーム状にシール部材を形成し、個別の部品としてのシール部材を、セパレータ間に挟み込む構成であっても、波形状のシールラインを採用することができる。シールラインを波形状に形成することで、シールラインの変形方向を制御し、燃料電池の外部への反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

さらに、本実施例では、ＭＥＧＡに接触する表面が平坦であるセパレータを例に説明したが、流路用の溝を形成したセパレータであっても、波形状のシールラインを採用することができる。この場合、例えば、多孔質体流路として機能する第２ガス拡散層を除いたＭＥＡを、流路用の凹凸溝を表面に備えたセパレータで挟んで燃料電池を形成する。このセパレータとＭＥＡとの間に、ＭＥＡを覆うフレーム状に形成したシール部材を挟み込み、シール部材に波形状のシールラインを設ける。こうすることで、シール部材のセパレータ外周からのはみ出しを抑え、燃料電池の外部への反応ガスの漏れを適切に抑制することができる。

本発明の燃料電池を含む燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池のモジュールの概略構造を示す断面図である。 カソード側プレートの平面形状を示す説明図である。 アノード側プレートの平面形状を示す説明図である。 中間プレートの平面形状を示す説明図である。 シール一体構造のＭＥＧＡの平面形状を示す説明図である。 一のマニホールド付近の第１のシールラインＳＬの形状を示す拡大図である。 シールラインＳＬの変形の様子を示す説明図である。 シールラインＳＬの一部分を波形状に形成した一例である。 一のマニホールド付近の第２のシールラインＳＬ２の形状を示す拡大図である。 一のマニホールド付近の第３のシールラインＳＬ３の形状を示す拡大図である。 変形例としてのシールラインの形状を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…モジュール
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
３２…ボルト
３３…インシュレータ
３４…ターミナル
４０…単セル
４２…ＭＥＡ
４４，４６…第２ガス拡散層
４７…ＭＥＧＡ
４８…シール部材
５０…セパレータ
５２…カソード側プレート
５３…中間プレート
５４…アノード側プレート
５５，５６，５７，５８…孔
６０，６１，６２，６３，６４，６５…貫通孔
６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ…貫通孔
６６…穴部
１００…コンプレッサ
１００…水素タンク
１０２…減圧バルブ
１０４…水素供給配管
１０６…水素排出配管
１０８…循環ポンプ
１１０…コンプレッサ
１１２…空気供給配管
１１５…空気排出配管
１２０…ラジエータ
１２１…冷却水供給配管
１２２…冷却水排出配管
１２５…ポンプ
１３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４０…バッテリー
１５０…インバータ
１６０…走行モータ

Claims (8)

1. 厚み方向の貫通孔を備えたセパレータと膜電極接合体とを交互に複数積層して形成する燃料電池であって、
   前記積層されたセパレータの貫通孔によって、前記燃料電池の内部に該燃料電池に係わる流体用のマニホールドを形成し、
   前記積層において、前記燃料電池内部の流体の外部への漏れを抑えるシール部材を介装し、
   前記シール部材は、
   前記貫通孔を囲み、前記積層方向に凸形状の断面を有するシールラインを備え、
   前記シールラインの少なくとも一部に、前記セパレータ外周から前記シール部材がはみ出す方向への前記シールラインの変形を抑制する抑制部を設けた
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、前記抑制部として、前記シールラインを波形状に形成した燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記シールラインは、
   前記貫通孔からシールライン幅方向の両側への変位量を同じく形成した単位を、該貫通孔を囲む周方向に繰り返すことで波形を構成し、
   前記幅方向両側への変位量が、前記周方向の繰り返しの幅よりも大きくなるように形成した
   燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、さらに、
   前記シールライン幅方向の変位が最大となる付近における当該シールラインの幅を、該最大となる付近以外における当該シールラインの幅よりも大きく形成した燃料電池。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記貫通孔は、前記セパレータ外周の一辺に対して並行に長辺を有する略長方形の孔であり、
   前記シール部材は、前記貫通孔を囲む略長方形のシールラインの長辺のうち、少なくとも前記セパレータ外周に近い方に前記抑制部を設ける
   燃料電池。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記シール部材は、前記シールラインの外周に、前記積層方向に凸形状の断面を有する第２のシールラインを備える燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、前記膜電極接合体を取り囲み、当該膜電極接合体と一体で構成された燃料電池。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、三つの金属プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータであり、
   前記シール部材は、前記膜電極接合体を取り囲み、該膜電極接合体と一体で構成し、
   前記三層積層型のセパレータと、前記一体構造の膜電極接合体とを交互に複数積層して形成する
   燃料電池。

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