JP2007141550A - 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】セパレータと膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池であって、前記セパレータの平面上の各辺に沿って、該セパレータの厚み方向に複数の貫通孔を設け、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反応ガス用のマニホールドを形成し、前記積層において、前記燃料電池の外部への前記反応ガスの漏れを抑えるシール部材を介装し、前記シール部材には、前記貫通孔を囲み、該貫通孔とは異なる形状のシールラインを設け、前記シールラインの少なくとも一部であって、前記セパレータの一辺と当該一辺に対応する一の前記貫通孔との間に形成される当該シールラインの部分の過半を、当該セパレータの一辺から該シールラインまでの距離が該一辺方向に連続的に変化する形状に成形した燃料電池とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池の構造に関し、詳しくは燃料電池で使用される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、車両用の燃料電池として、種々の構造が検討されている。例えば、固体高分子型と呼ばれる燃料電池は、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、セパレータと膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池であって、前記セパレータの平面上の各辺に沿って、該セパレータの厚み方向に複数の貫通孔を設け、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反応ガス用の複数のマニホールドを形成し、前記積層において、前記燃料電池の外部への前記反応ガスの漏れを抑えるシール部材を介装し、前記シール部材には、前記貫通孔を囲み、該貫通孔とは異なる形状のシールラインを設け、前記シールラインの少なくとも一部であって、前記セパレータの一辺と当該一辺に対応する一の前記貫通孔との間に形成される当該シールラインの部分の過半を、当該セパレータの一辺から該シールラインまでの距離が該一辺方向に連続的に変化する形状に成形したことを要旨としている。

本発明の燃料電池によれば、反応ガスの漏れを抑制する機能を果たすシールラインの形状を貫通孔とは異なる形状とし、セパレータ一辺と貫通孔との間の部分の過半を、セパレータ一辺からシールラインまでの距離が一辺方向に連続的に変化する形状に成形する。シールラインのうち、セパレータ一辺と貫通孔との間の部分は、貫通孔を流れる反応ガスの圧力により、燃料電池、あるいは、セパレータ外周からはみ出す方向への力（一辺に垂直方向の力）を受ける。かかる部分を、距離が連続的に変化する形状に形成するため、一辺に垂直方向の力は分散される。したがって、シールラインは、燃料電池、あるいは、セパレータ外周からはみ出す方向へ変形し難い構造となり、反応ガス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る。その結果、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。

上記の構成を有する燃料電池における距離が一辺方向に連続的に変化する形状は、前記セパレータの一辺に垂直な方向へ、所定の曲率を備えた形状であるものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、距離が一辺方向に連続的に変化する形状として、所定の曲率を備えた形状を採用する。つまり、セパレータ一辺と貫通孔との間のシールライン部分を、セパレータ一辺方向に平行な直線状ではなく、曲率を付けた形状に形成する。したがって、セパレータ外周からはみ出す方向への力は曲率に沿って分散され、シール部材の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反応ガス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セパレータは、略矩形状の平面に形成されると共に、略矩形状の前記貫通孔を備え、前記所定の曲率を備えたシールライン全体の形状は、前記セパレータの略矩形の一辺に垂直な方向に凸な略三日月状の形状であるものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、略矩形状の貫通孔に対して、略三日月状のシールラインを形成し、セパレータ一辺に垂直方向に略三日月の凸を向けて配置する。かかる方向に略三日月状のシールラインを形成することで、シール部材にはセパレータ一辺に垂直方向と直交する方向にも力が働く。こうした力により、シール部材がセパレータ外周からはみ出す方向へ変形し難い構造となり、反応ガス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る。

上記の構成を有する燃料電池は、前記セパレータの平面上の各辺に沿って、同一の前記反応ガスに対し、隣接する複数の貫通孔を設け、前記シール部材に、前記貫通孔毎に対応する前記シールラインを形成するものとしても良い。

かかる燃料電池によれば、同一の反応ガスに対応して、セパレータの平面上の各辺に沿った隣接する箇所に貫通孔を複数設け、貫通孔毎にシールラインを設ける。シールラインを貫通孔毎に設けることで、隣接する貫通孔の間にはシール部材が存在し、シール部材がセパレータ外周からはみ出す方向へ変形し難い構造とすることができる。

上記の構成を有する燃料電池において、セパレータは、三つの導電性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、反応ガス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実施例のシールライン：
Ｃ．第２実施例のシールライン：
Ｄ．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、その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。

図３は、ＭＥＧＡ４７の外周を覆うシール部材４８の一部を示す斜視図である。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、図示するように、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、その厚み方向に、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、凸部に囲まれた内部領域に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）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。図２に示すように、セパレータ５０は、空気の流路となる第２ガス拡散層４４と接触するカソード側プレート５２と、水素ガスの流路となる第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ている。セパレータ５０は、これらのプレートを、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の順に積層した三層構造からなり、かかる構造のセパレータ５０を三層積層型のセパレータと呼ぶ。

図４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６個の略長方形の貫通孔６０ａ〜６５ａを備えている。具体的には、長方形の２つの長辺のうちの一辺に沿って、空気供給用（図中に空気inと記す）の貫通孔６０ａを備え、他辺に沿って、空気排出用（図中に空気outと記す）の貫通孔６１ａを備えている。また、２つの短辺のうち一辺に沿って、水素ガス供給用（水素inと記す）の貫通孔６５ａと、冷却水排出用（水outと記す）の貫通孔６３ａとを備え、他辺に沿って、冷却水供給用（水inと記す）の貫通孔６２ａと、水素ガス排出用（水素outと記す）の貫通孔６４ａとを備えている。

さらに、カソード側プレート５２は、空気用の貫通孔６０ａ，６１ａからカソード側プレート５２の中心方向へ、所定距離だけ移動した位置に、複数の略円形の孔５５，５６を備えている。つまり、複数の孔５５，５６は、カソード側プレート５２の長辺方向に並んで配置され、孔５５は貫通孔６０ａに、孔５６は貫通孔６１ａに、それぞれ対応している。この孔５５，５６も、空気の流路の一部として機能するが、空気の流れについては後述する。

図５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と同一の略長方形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６０ｂ〜６５ｂを備えている。このアノード側プレート５４は、水素ガス用の貫通孔６２ｂ，６３ｂからアノード側プレート５４の中心方向へ、所定距離だけ移動した位置に、複数の略円形の孔５７，５８を備えている。つまり、複数の孔５７，５８は、アノード側プレート５４の短辺方向に並んで配置され、孔５７は貫通孔６５ｂに、孔５８は貫通孔６４ｂに、それぞれ対応している。

図６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。中間プレート５３は、２つの長辺のうち、一辺に沿って空気供給用の貫通部６０ｃを、他辺に沿って空気排出用の貫通部６１ｃを、それぞれ備えている。空気供給用の貫通部６０ｃは、カソード側プレート５２の貫通孔６０ａと孔５５とをつなぎ合わせた形状に形成され、空気排出用の貫通部６１ｃは、カソード側プレート５２の貫通孔６１ａと孔５６とをつなぎ合わせた形状に形成されている。

また、中間プレート５３は、２つの短辺のうち、一辺に沿って水素ガス排出用の貫通部６４ｃを、他辺に沿って水素ガス供給用の貫通部６５ｃを、それぞれ備えている。空気用の貫通部と同じように、水素ガス排出用の貫通部６４ｃは、アノード側プレート５４の貫通孔６４ｂと孔５８とをつなぎ合わせた形状に形成され、水素ガス供給用の貫通部６５ｃは、アノード側プレート５４の貫通孔６５ｂと孔５７とをつなぎ合わせた形状に形成されている。

さらに、中間プレート５３は、図４，図５に示した冷却水供給用の貫通孔６２ａ，６２ｂの位置と、冷却水排出用の貫通孔６３ａ，６３ｂの位置とを接続する細長い穴部６６を複数備えている。この穴部６６は、中間プレート５３の略中央付近を、長辺方向に直線状に形成されており、直線部分の両端は、冷却水用の貫通孔６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂの大きさに収まるように斜めに形成されている。

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。なお、図４，図５，図６に矢印で示したＡＡ断面は、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。なお、セパレータ５０を構成するプレートの材料は、導電性を有する樹脂材料であっても良い。

完成したセパレータ５０には、各貫通孔を重ね合わせることで各種流体の流路が形成され、さらに、こうしたセパレータ５０を複数積層することで燃料電池１０内部にマニホールドが形成される。以下、貫通孔６０ａ等により形成されるマニホールドを空気供給マニホールド６０と、貫通孔６１ａ等により形成されるマニホールドを空気排出マニホールド６１と、貫通孔６５ａ等により形成されるマニホールドを水素供給マニホールド６５と、貫通孔６４ａ等により形成されるマニホールドを水素排出マニホールド６４と、貫通孔６２ａ等により形成されるマニホールドを冷却水供給マニホールド６２と、貫通孔６３ａ等により形成されるマニホールドを冷却水排出マニホールド６３と、それぞれ呼ぶこととする。

次に、こうした構造のセパレータ５０内における流体の流れについて説明する。空気供給マニホールド６０を流れる空気、つまり、セパレータ５０のカソード側プレート５２の貫通孔６０ａに供給された空気（図４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の貫通部６０ｃ，アノード側プレート５４の貫通孔６０ｂを流れると共に、中間プレート５３の貫通部６０ｃ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４の孔５５は、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（カソード側プレート５２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へ流れる（図４の孔５６は、紙面の表側から裏側へ流れる）。そして、中間プレート５３の貫通部６１ｃにより、アノード側プレート５４の貫通孔６１ｂ，中間プレート５３の貫通部６１ｃを流れてきた空気（空気排出マニホールド６１を流れる空気）と合流し、カソード側プレート５２の貫通孔６１ａを図４の紙面の表側へ向かって流れる。

水素ガスも空気の流れとほぼ同様であり、中間プレート５３の貫通部６４ｃ，６５ｃによって、水素ガスはアノード側プレート５４の表面上を孔５７から孔５８に向かい、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、反応に供される。なお、冷却水は、中間プレート５３の穴部６６を介して、滞りなく循環する。

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、シールラインＳＬ自体の形状により、シール部材４８のセパレータ５０の外周からのはみ出しを抑制している。以下、こうしたシールラインＳＬの形状について説明する。

Ｂ．第１実施例のシールライン：
図７は、第１実施例としてのシール一体構造のＭＥＧＡ４７の平面形状を示す説明図である。図示するように、シール一体構造のＭＥＧＡ４７は、セパレータ５０の各プレートと同一の略長方形の外形形状を有し、ＭＥＧＡ４７の外周を覆うシール部材４８には、各マニホールド６０〜６５に対応した位置、大きさの孔６０ｄ〜６５ｄが備えられている。このシール部材の一部であって、各孔６０ｄ〜６５ｄの周りにはシールラインＳＬが設けてある。

通常、シールラインの形状は、マニホールドの形状に合わせて形成される。例えば、マニホールドが長方形であれば、シールラインも長方形に形成される。これに対して、本実施例では、図７に示すように、略長方形のマニホール孔（セパレータの貫通孔）に対して、マニホールド孔の形状とは異なる略三日月状の形状によってシールラインを形成している。

このシールラインＳＬは、略長方形のマニホールド孔を覆い囲み、シール部材４８の外周（セパレータ５０の外周）の一辺と、これに対応する一の貫通孔との間に形成されるシールラインＳＬの部分を、外周の一辺に垂直な方向へ、所定の曲率を備えて形成し、全体として略三日月状に形成されている。空気供給マニホールド６０を例に採ると、図示するシール部材４８外周の一辺αと、シール部材４８の孔６０ｄとの間に形成されるシールラインＳＬを、図中のＹ方向に凸である曲線で形成している。つまり、Ｙ方向に凸な略三日月状にシールラインＳＬを形成している。なお、図示するＹ方向は、シール部材４８外周の一辺αに垂直な方向（略長方形の外形を有するシール部材４８の短辺方向）を示し、Ｘ方向は、シール部材４８外周の一辺αに平行な方向（シール部材４８の長辺方向）を示している。

こうした略三日月状のシールラインＳＬは、各マニホールド孔、つまり、図示する各孔６０ｄ〜６５ｄの周りに設けられ、シール一体構造のＭＥＧＡ４７の中心から、シール部材４８の外周の各辺に垂直な方向へ凸となるように形成されている。

図８は、一のマニホールド付近のシールライン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７に示したシール部材４８の孔６０ｄ（空気供給マニホールド６０に対応する孔）を拡大したものである。なお、図７と同様、図中のＹ方向はシール部材４８の短辺方向を示し、Ｘ方向はシール部材４８の長辺方向を示している。

図示するように、所定圧力の空気が空気供給マニホールド６０に供給されると、セパレータ５０間に挟持されたシール部材４８の孔６０ｄを空気が流れ、シールラインＳＬには空気の圧力がかかる。この圧力は、略三日月状のシールラインＳＬの各部に均等に作用し、シールラインＳＬを膨張させる方向へ働く。

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。すなわち、シールラインＳＬのうち、ＭＥＧＡ４７側に近い部分はＭＥＧＡ４７の剛性の影響を受けて変形し難い。その結果、圧力を受けたシールラインＳＬは、専らＹ方向（シール部材４８をセパレータ５０外周からはみ出す方向）へ変形しようとする。

本実施例のシールラインＳＬは、セパレータ５０外周側に所定の曲率を有する略三日月状に形成されているため、圧力によってＹ方向へ変形させようとする力を受けると共に、Ｘ方向への力も受ける。つまり、シール部材４８をセパレータ５０外周からはみ出す方向への力を分散して、はみ出す方向と直交する方向への力Ｆを発生させる（図８参照）。こうした直交方向の力Ｆにより、シール部材４８は引っ張られ、セパレータ５０外周からはみ出す方向への変形を抑制する。

なお、ＭＥＧＡ４７側に近いシールラインＳＬ部分は、上記のようにもともと変形し難いが、略三日月状の凹部によって、ＭＥＧＡ４７側のシール部材４８にはＸ方向の圧縮力が作用する。したがって、シールラインの形状により、Ｙ方向へ変形し難い構成とすることができる。

また、本実施例のシールラインＳＬは、セパレータ５０外周側に所定の曲率を有しており、セパレータ５０外周からシールラインＳＬまでのＹ方向の距離は、Ｘ方向に渡って連続的に変化している。つまり、Ｘ方向に長いシールラインＳＬの両端付近は、中央付近に比べてＹ方向の余肉が厚い。したがって、Ｘ方向上のシールラインＳＬの各部におけるＹ方向への変形のし易さが異なり、シールラインを直線状に形成した場合のような変位の連続による大きな変形が生じることは無い。

こうした形状のシールラインＳＬを採用することで、反応ガスの圧力によるセパレータ５０外周からのシール部材４８のはみ出しを抑えることができる。その結果、燃料電池１０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に、かかる形状のシールラインＳＬを採用する場合には、その効果は大きい。こうした形状のシールラインＳＬを用いて、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）を防止するための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。

以上の第１実施例では、中心からシール部材４８外周の各辺に垂直な方向へ凸な略三日月状のシールラインＳＬを形成するものとしたが、中心からシール部材外周の各辺に垂直な方向へ凹な略三日月状のシールラインを形成するものとしても良い。

具体的には、図９に示すように、図７の凸の向きを反転させた略三日月状のシールラインＳＬ２を形成する。こうした形状のシールラインＳＬ２に、圧力がかかると、シール部材４８ａをセパレータ５０外周からはみ出す方向への力を分散して、はみ出す方向と直交する方向への力（例えば、図示する力Ｆ２）を発生させる。こうした直交方向の力により、シール部材４８ａは圧縮され、セパレータ５０外周からはみ出す方向への変形を抑制する。

また、Ｘ方向に長いシールラインＳＬ２の中央付近は、両端付近に比べてＹ方向の余裕代が長い。そのため、シールラインを直線状に形成した場合のような変位の連続による大きな変形が生じることは無い。したがって、シール部材４８ａのはみ出しを抑え、燃料電池１０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実施例のシールライン：
図１０は、第２実施例としてのシール一体構造のＭＥＧＡ４７の平面形状を示す説明図である。図示するように、第２実施例のＭＥＧＡ４７部分は、図７に示した第１実施例のＭＥＧＡ４７部分と同一であり、シールラインを含むシール部材の形状が異なる。したがって、シール部材を中心として、第１実施例とは異なる部分のみを説明する。

図示するように、略長方形のシール部材４８ｂは、図７に示した水素用および冷却水用の孔６２ｄ〜６５ｄと同じ位置、大きさの孔６２ｄ〜６５ｄを備えている。なお、説明を簡単にするために、図７と同一符号を付している。

さらに、このシール部材４８ｂは、図７に示した２つの空気用の孔６０ｄ，６１ｄを、それぞれ３等分した計６つの孔７１〜７６を備えている。このシール部材４８ｂの一部であって、各孔６２ｄ〜６５ｄ，７１〜７６の周りには、セパレータ外周方向に凸な略三日月状のシールラインＳＬ３が設けてある。つまり、第２実施例では、３つの孔７１，７２，７３が、第１実施例における空気の供給路としての孔６０ｄとして働き、３つの孔７４，７５，７６が、空気の排出路としての孔６１ｄとして働く。なお、図示は省略するが、第２実施例のセパレータは、第１実施例のセパレータ５０とほぼ同様の三層積層型のセパレータであり、空気用の貫通孔の形状が異なる。すなわち、図１０に対応して空気用の貫通孔が複数設けてあり、第１実施例の空気用のマニホールド６０，６１を３等分に分割した計１０個のマニホールドを備えて燃料電池が形成されている。

こうして各マニホールド（各孔６２ｄ〜６５ｄ，７１〜７６）の周りに形成されたシールラインＳＬ３に圧力が働くと、第１実施例と同様、シール部材４８ｂがセパレータ外周からはみ出す方向の力を分散し、シール部材４８ｂのセパレータ外周からのはみ出しを抑制する。

さらに、シール部材４８ｂの一の長辺方向に、３つの略三日月状のシールラインＳＬ３を並べて配置する。各シールラインＳＬ３は独立して閉じた領域を形成しているため、隣接するシールラインＳＬ３の間には、シール部材４８ｂが存在する（図１０のＢ部参照）。こうした部分（Ｂ部）は、セパレータ外周からのはみ出し方形への変形を抑制する補強（いわゆるリブ）として働く。したがって、シール部材４８ｂのセパレータ外周からのはみ出しを抑え、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。

なお、本実施例では、第１実施例の空気用のマニホールド６０，６１を分割しているため、マニホールドの開口面積の合計が減少する。こうした場合には、シールラインＳＬ３の形状に合わせてマニホールド孔の形状を設定し、燃料電池内での反応に必要な量の反応ガスを供給可能な開口面積を確保すれば良い。つまり、略三日月状のシールライン内側の領域内に収まるように、マニホールド孔の形状を設定する。こうすることで、必要十分な開口面積を確保しつつ、第２実施例のシールラインを採用することができると共に、容積の小さい燃料電池を形成することもできる。

本実施例では、空気用のマニホールドを、隣接する複数の貫通孔により形成し、貫通孔毎にシールラインＳＬ３を設けるものとしたが、水素用のマニホールドを隣接する複数の貫通孔により形成するものとしても良い。さらに、冷却水用のマニホールドを隣接する複数の貫通孔により形成するものとしても良い。つまり、冷却水を含め、空気や水素など、同一の反応ガスの流路を隣接する複数のマニホールドで形成する。同一の反応ガスの隣接するマニホールド内には、略同一の圧力が作用する。こうしたセパレータ（燃料電池）に対して、本実施例のシールライン形状を成形したシール部材を採用することで、シール部材のセパレータ外周からのはみ出しを抑えることができる。

Ｄ．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、シールラインを略三日月状に形成するものとして説明したが、これに限るものではなく、セパレータ外周の一辺と、これに対応する一の貫通孔との間に形成されるシールラインの部分を、セパレータ外周の一辺からシールラインまでの距離がその一辺の方向に連続的に変化する形状であれば良い。

具体的には、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、半円形状、三角形状、楕円形状、あるいは、円形状にシールラインを形成するものであっても良い。なお、図１１は一の貫通孔に対するシールライン形状であり、シールライン内部の破線はセパレータの貫通孔の形状を示している。

図１１に示した形状にシールラインを形成することで、圧力によるセパレータ外周からシール部材がはみ出す方向の力を分散し、シール部材のはみ出しを抑え、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、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、本発明のシールライン形状を採用することができる。

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、本発明のシールライン形状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、シール部材に例えば略三日月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。 ＭＥＧＡの外周を覆うシール部材の一部を示す斜視図である。 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。 第１実施例のシール一体構造の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シールラインＳＬの形状を示す拡大図である。 第１実施例の変形例のシール一体構造のＭＥＧＡの平面形状を示す説明図である。 第２実施例のシール一体構造のＭＥＧＡの平面形状を示す説明図である。 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
４８，４８ａ，４８ｂ…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
６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａ…貫通孔
６０ｂ，６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６４ｂ，６５ｂ…貫通孔
６０ｃ，６１ｃ，６４ｃ，６５ｃ…貫通部
６０…空気供給マニホールド
６１…空気排出マニホールド
６２…冷却水供給マニホールド
６３…冷却水排出マニホールド
６４…水素排出マニホールド
６５…水素供給マニホールド
６０ｄ，６１ｄ，６２ｄ，６３ｄ，６４ｄ，６５ｄ…孔
６６…穴部
７１，７２，７３…孔
７４，７５，７６…孔
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 (5)

1. セパレータと膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池であって、
   前記セパレータの平面上の各辺に沿って、該セパレータの厚み方向に複数の貫通孔を設け、
   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反応ガス用のマニホールドを形成し、
   前記積層において、前記燃料電池の外部への前記反応ガスの漏れを抑えるシール部材を介装し、
   前記シール部材には、前記貫通孔を囲み、該貫通孔とは異なる形状のシールラインを設け、
   前記シールラインの少なくとも一部であって、前記セパレータの一辺と当該一辺に対応する一の前記貫通孔との間に形成される当該シールラインの部分の過半を、当該セパレータの一辺から該シールラインまでの距離が該一辺方向に連続的に変化する形状に成形した
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記距離が前記一辺方向に連続的に変化する形状は、前記セパレータの一辺に垂直な方向へ、所定の曲率を備えた形状である燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、略矩形状の平面に形成されると共に、略矩形状の前記貫通孔を備え、
   前記所定の曲率を備えたシールライン全体の形状は、前記セパレータの略矩形の一辺に垂直な方向に凸な略三日月状の形状である燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータの平面上の各辺に沿って、同一の前記反応ガスに対し、隣接する複数の貫通孔を設け、
   前記シール部材に、前記貫通孔毎に対応する前記シールラインを形成した
   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、
   前記セパレータは、三つの導電性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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