JP2008146955A - シール部材、燃料電池セル、燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、シール部材に形成された貫通孔の変形による反応ガスの漏洩を防止する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】シール部材４２０Ａは、ＭＥＡ部４４の外周に形成されたシール部４２１Ａと、接続部４２８Ａと、シール部４２１Ａを補強するための補強フィルム４３Ａとから構成される。シール部４２１Ａには、水素供給用貫通孔４２２ｉ、水素排出用貫通孔４２２ｏ等の貫通孔が形成され、接続部４２８Ａは、補強フィルム４３Ａに形成されている空気供給用貫通孔４３４ｉおよび空気排出用貫通孔４３４ｏそれぞれの対向する長辺をつなぐように、各貫通孔に１本ずつ形成されている。そして、シール部４２１Ａと補強フィルム４３Ａとが一体的に形成されることにより、接続部４２８Ａが水素供給用貫通孔４２２ｉおよび水素排出用貫通孔４２２ｏのそれぞれに架橋する役割を果たしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。

従来の高分子電解質型燃料電池の中には、高分子電解質膜の両面に、アノードおよびカソードが、それぞれ形成された膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいう。）を、１対のセパレータで挟持して成る燃料電池セルを、複数積層した積層構造を有するものがある(以下、燃料電池スタックともいう。)。この１対のセパレータには、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路、および、これら反応ガスを流通させるためのマニホールドを構成する貫通孔が設けられている。すなわち、燃料電池セルを複数積層して燃料電池スタックを構成した際に、燃料電池スタックを積層方向に貫通するマニホールドが形成される。そして、反応ガスは、各マニホールドを通って、各燃料電池セルの各電極に供給される。

ここで、反応ガスの漏洩を防止するために、ＭＥＡとセパレータの間にシール部材を設けている。そして、反応ガスを加圧した場合の反応ガスの漏洩を防止するために、ＭＥＡとシール部材とを一体的に形成する技術が提案されている (例えば、特許文献１。) 。ここで、シール部材には、セパレータと同様に貫通孔が設けられ、セパレータに設けられた貫通孔と共に、マニホールドを構成している。

特開平８−４５５１７号広報

従来の燃料電池スタックにおける燃料電池セル４０Ｐを空気供給用マニホールドを横断するように切断した断面図を図９（ａ）に、シール部材の端部が、押し出される様子を表す説明図を図９（ｂ）に、それぞれ示す。図９(ａ)に示すように、燃料電池セル４０Ｐは、アノード側セパレータ４１ａと、カソード側セパレータ４１ｃと、電極一体ガスケットシール４２Ｐとによって構成されている。電極一体ガスケットシール４２Ｐは、ＭＥＡ４４とシール部材４２０Ｐとを一体的に形成して成るものである。なお、シール部材４２０Ｐには、シール部材４２０Ｐを補強するための補強フィルム４３Ｐが挿入されている。

酸化剤ガスとしての空気が燃料電池に供給される際に加圧されていると、空気供給用マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１４ｉ、４２４ｉを押し広げるように、圧力がかかる(図９（ａ）)。シール部材４２０Ｐには、シール性能を得るために、剛性が低く、柔らかい（すなわち、ヤング率の低い）材料（例えば、ゴム等）を用いることが多い。一方、セパレータ４１ａ、４１ｃは、金属やカーボン等の比較的剛性の高い材料を用いて作られている。そのため、上記の圧力が空気供給用貫通孔４１４ｉ、４２４ｉにかかった場合に、セパレータ４１ａ、４１ｃに設けられた空気供給用貫通孔４１４ｉは変形しないが、シール部材４２０Ｐに設けられた空気供給用貫通孔４２４ｉは押し広げられるため、図９（ｂ）に示すように、シール部材４２０Ｐの端部がセパレータ４１ａ、４１ｃより外側へ押し出されて、空気が外部へ漏洩する可能性がある（図９（ｂ）中の矢印）。空気排出用貫通孔、水素供給用貫通孔、水素排出用貫通孔についても、同様に、これらの反応ガスが外部へ漏洩する可能性がある。

従って、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、シール部材に形成された貫通孔の変形による反応ガスの漏洩を防止する技術を提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明におけるシール部材は、
電解質膜および電極を有する膜電極接合体を、１対のセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層して成る燃料電池において、前記セパレータの外周部に設けられたセパレータマニホールド孔によって形成されるマニホールドを流通する反応ガスが漏洩するのを防止するために、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置されるシール部材であって、
前記セパレータマニホールド孔と略同一の形状を成すシール部材マニホールド孔が設けられたシール部と、
少なくとも１つの前記シール部材マニホールド孔において、前記シール部の外周側に、その一端が接続され、前記シール部材マニホールド孔に架橋する接続部と、
を備えることを要旨とする。

本発明のシール部材では、シール部材マニホールド孔に架橋する接続部を備える。そのため、シール部材マニホールド孔を流通する反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）によって、シール部材マニホールド孔を押し広げるような力がシール部材マニホールド孔にかかったとしても、接続部によってシール部材マニホールド孔の変形を防止することができる。そして、その接続部は、一端がシール部の外周側に接続されているため、シール部材の外周側が、セパレータより外側に押し出されて、反応ガスが外部へ漏洩することを防止することができる。

また、セパレータに形成されたセパレータマニホールド孔自体を小さくする場合と比べると、反応ガスの流通を妨げるものが接続部材だけであるため、反応ガスがマニホールドから各流路に分配される際の分配効率の低下を小さく抑えることができる。

上記したシール部材において、
前記シール部より剛性の高い高剛性材料より成り、前記シール部内に挿入されて、前記シール部を補強するための補強フレームをさらに備え、
前記接続部は、
前記高剛性材料より成り、前記補強フレームと一体的に形成されていることが好ましい。

このようにすることによって、接続部の本数を少なくしたり、接続部を細く形成することができる。また、補強フレーム自体によっても、シール部材マニホールド孔の変形を防止することができるため、好適である。

上記したシール部材において、
前記接続部は、
前記シール部と同一材料を用いて、一体的に形成されていてもよい。

このようにすることによって、シール部を形成する際に、接続部を一緒に形成することが可能となり、接続部を別部材として構成する場合に比べ、部品点数を減らすことができる。

上記したシール部材において、
前記膜電極接合体と一体的に形成されていることが好ましい。

このようにすることによって、シール部材と膜電極接合体とを別々に構成する場合と比べると、部品点数を減らすことができるため、燃料電池スタックを構成する際の組み付けが容易になり、好適である。

なお、本発明は、上記したシール部材が配置された燃料電池セル、または燃料電池スタックとして実現することもできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
Ａ２．燃料電池セルの構成：
Ａ２．１．セパレータの構成：
Ａ２．２．電極一体ガスケットシールの構成：
Ａ３．効果
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．電極一体ガスケットシールの構成：
Ｂ２．効果
Ｃ：変形例

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池スタック１００は、図示する通り、燃料電池セル４０を所定数積層して形成される。燃料電池セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。本実施例では、各燃料電池セル４０は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されているものとする。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池セル４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。燃料電池スタック１００内には、燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての空気、および冷却水が供給される。そして、上記した燃料電池スタック１００を構成する各構成部品には、これらの反応ガス等を流すための、図示しない供給口、排出口、および流路等が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。なお、冷却水を流すための冷却水流路が形成された冷却水セパレータが、燃料電池セル４０を所定数積層した毎に１つ配設されている(図示しない)。燃料電池セル４０は、ＭＥＡおよびシールガスケットを一体的に備える電極一体ガスケットシール４２Ａと、１対のセパレータ４１ａ、４１ｃと、によって構成されている。この電極一体ガスケットシール４２Ａ、およびセパレータ４１ａ、４１ｃについては、後述する。

燃料電池スタック１００には、また、図示するように、テンションプレート８０が備えられている。燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００内における接触不良による電池性能の低下を抑制し、また、電極一体ガスケットシール４２Ａのシール性能を十分に得るために、テンションプレート８０をボルト８２によって燃料電池スタック１００の両端のエンドプレート１０、７０に固定することによって、各燃料電池セル４０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。

なお、エンドプレート１０、７０、および、テンションプレート８０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

Ａ２．燃料電池セルの構成：
先に説明したように、燃料電池セル４０は、セパレータ４１ａ、４１ｃと、電極一体ガスケットシール４２Ａとによって構成されている。以下、セパレータ４１ａ、４１ｃおよび、電極一体ガスケットシール４２Ａについて説明する。

Ａ２．１．セパレータの構成：
図２（ａ）は、アノード側セパレータ４１ａの、アノード用拡散層４８ａと当接する面を示す平面図である。図示するように、アノード側セパレータ４１ａは、平面略長方形状を成す平板であり、その外周部に、平面略長方形状を成す貫通孔である水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏ、空気供給用貫通孔４１４ｉ、空気排出用貫通孔４１４ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および冷却水排出用貫通孔４１６ｏが形成されている。なお、空気供給用貫通孔４１４ｉおよび空気排出用貫通孔４１４ｏは、略同一の形状を成している。また、水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉおよび冷却水排出用貫通孔４１６ｏは略同一の形状を成している。そして、空気供給用貫通孔４１４ｉおよび空気排出用貫通孔４１４ｏは、水素供給用貫通孔４１２ｉ等に比べて、細長い長方形状を成している。

そして、水素供給用貫通孔４１２ｉおよび水素排出用貫通孔４１２ｏと連通し、溝状を成す水素流路４１２ｐが形成されている。

図２（ｂ）は、カソード側セパレータ４１ｃの、カソード側拡散層４７ｃと当接する面を示す平面図である。図示するように、カソード側セパレータ４１ｃも、上記したアノード側セパレータと同様の平面略長方形状を成す平板であり、その外周部には、平面略長方形状を成す貫通孔である水素供給用貫通孔４１２ｉ、水素排出用貫通孔４１２ｏ、空気供給用貫通孔４１４ｉ、空気排出用貫通孔４１４ｏ、冷却水供給用貫通孔４１６ｉ、および冷却水排出用貫通孔４１６ｏが形成されている。なお、アノード側セパレータ４１ａと同様に、空気供給用貫通孔４１４ｉおよび空気排出用貫通孔４１４ｏは、水素供給用貫通孔４１２ｉ等に比べて、細長い長方形状を成している。

そして、上記したセパレータ４１ａと同様に、空気供給用貫通孔４１４ｉ、空気排出用貫通孔４１４ｏと連通し、溝状を成す空気流路４１４ｐが形成されている。

本明細書中においてセパレータ４１ａ、４１ｃに形成されている各貫通孔が、本請求項におけるセパレータマニホールド孔に相当する。

なお、本実施例において、セパレータ４１ａ、４１ｃはステンレス鋼製の平板を用いるものとするが、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよいし、カーボン製の平板を用いるものとしてもよい。さらに、プレスメタルを用いてもよい。

Ａ２．２．電極一体ガスケットシールの構成：
図３は、電極一体ガスケットシール４２Ａをカソード側から見た平面図である。図４は、電極一体ガスケットシール４２Ａに挿入されている補強フィルム４３Ａの平面図である。また、図５（ａ）は、図３におけるＡ−Ａ断面図、図５（ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ断面図である。

電極一体ガスケットシール４２Ａは、図３に示すように、平面略長方形状を成すＭＥＡ部４４と、ＭＥＡ部４４の外周に形成されたシール部材４２０Ａとから構成される。

ＭＥＡ部４４は、図３に示すように、平面略長方形状を成し、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、電解質膜４６の一方の面に、カソード４７ｃと、カソード用拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード４７ａと、アノード用拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。本実施例では、電解質膜４６のみを大きく形成し、電解質膜４６に対して他の膜を積層する際に、他の膜の外周より外側に、電解質膜４６の周縁部が露出するように構成している。

本実施例において、電解質膜４６としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、アノード４７ａおよびカソード４７ｃとしては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボンクロスより形成された触媒電極を、それぞれ用いるものとした。拡散層４８ａ、４８ｃとしてはカーボンクロスを用いるものとした。このような拡散層４８ａ、４８ｃを用いることにより、アノード４７ａおよびカソード４７ｃの全面に効率よく拡散させてガスを供給することができる。なお、電解質膜として、炭化水素系樹脂により形成された高分子電解質膜を用いてもよい。また、触媒電極および拡散層は、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたは高クッションペーパーにより形成してもよい。

シール部材４２０Ａは、ＭＥＡ部４４の外周に平面略長方形の枠状に形成されたシール部４２１Ａと、接続部４２８Ａと、シール部４２１Ａの間に挿入され、シール部４２１Ａを補強するための補強フィルム４３Ａとから構成される。

シール部４２１Ａには、上記したセパレータ４１ａ、４１ｃと同様に、水素供給用貫通孔４２２ｉ、水素排出用貫通孔４２２ｏ、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成され、その周囲およびＭＥＡ部４４の周囲を囲むように凸状にシールラインＳＬが形成されている。本実施例では、シール部４２１Ａとして、シリコーンゴムを用いるものとしたが、熱可塑性エラストマーを用いてもよい。

補強フィルム４３Ａは、図４に示すように、シール部４２１Ａと同様の平面略長方形の枠状を成す。なお、外周はシール部４２１Ａより若干小さめに、内周はシール部４２１Ａより若干大きめに形成されている。また、シール部４２１Ａと同様に、水素供給用貫通孔４３２ｉ、水素排出用貫通孔４３２ｏ、空気供給用貫通孔４３４ｉ、空気排出用貫通孔４３４ｏ、冷却水供給用貫通孔４３６ｉ、冷却水排出用貫通孔４３６ｏが形成されている。

接続部４２８Ａは、補強フィルム４３Ａに形成されている空気供給用貫通孔４３４ｉの対向する長辺をつなぐように、両辺に垂直に各貫通孔に１本ずつ形成されている。また、同様に、空気排出用貫通孔４３４ｏの対向する長辺をつなぐように、両辺に垂直に各貫通孔に１本ずつ形成されている。なお、本実施例において、接続部４２８Ａは、図４に示すように、補強フィルム４３Ａの一部を成すように補強フィルム４３Ａと一体的に形成されている。

なお、本実施例において、補強フィルム４３Ａおよび接続部４２８Ａは、常温においてヤング率が約６０ＧＰａのＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を用いるものとするが、例えば、一般に、高剛性材料と呼ばれているエポキシ樹脂、フェノール、アクリル等の熱硬化性樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＩ(ポリイミド)等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。

本明細書中において、シール部４２１Ａに形成されている各貫通孔が、本請求項におけるシール部材マニホールド孔に相当する。また、補強フィルム４３Ａが本請求項における補強フレームに相当する。

本実施例では、シリコーンゴムを用い、射出成型によりシール部４２１ＡをＭＥＡ部４４および補強フィルム４３Ａと一体的に形成している。具体的には、２枚の補強フィルム４３Ａで、ＭＥＡ部４４の露出している電解質膜４６の周縁部を挟持するように（図４に、ＭＥＡ部４４を破線で示す。）、補強フィルム４３、ＭＥＡ部４４、補強フィルム４３の順に重ねて、金型にセットし、型締めする。続いて、金型のキャビティーにシリコーンゴムを注入する。ここで、キャビティーは、シリコーンゴムを注入すると、シリコーンゴムがＭＥＡ部４４の周縁部を覆うような形状に形成されている。そして、シリコーンゴムを硬化させた後、型開きすることにより、図３に示す電極一体ガスケットシール４２Ａを得る。なお、電解質膜４６と補強フィルム４３Ａおよび、補強フィルム４３Ａとシール部４２１Ａとの間の接着性を向上させるために、これらの部分には、プライマーが塗布されている。そして、このような工程によって電極一体ガスケットシール４２Ａが形成されると、シリコーンゴムが硬化する際の加硫(架橋)反応により、ＭＥＡ部４４と補強フィルム４３Ａは、それぞれシール部４２１Ａと接着される。

なお、セパレータ４１ａ、４１ｃは、図２（ａ）に示すセパレータ４１ａの下辺と、図２（ｂ）に示すセパレータ４１ｃの上辺とが重なり、セパレータ４１ａの上辺と、セパレータ４１ｃの下辺とが重なるように、間に図３に示す電極一体ガスケットシール４２Ａを挟んで、燃料電池セル４０を構成している。

Ａ３．効果：
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１００では、燃料電池スタック１００を構成する燃料電池セル４０において、電極一体ガスケットシール４２Ａの接続部４２８Ａが、補強フィルム４３Ａの一部を成すように、空気供給用貫通孔４３４ｉ、空気排出用貫通孔４３４ｏの対向する長辺をそれぞれつないでいる。そして、補強フィルム４３Ａがシール部４２１Ａに挿入された状態で接着されることにより、接続部４２８Ａはシール部４２１Ａに形成された空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺をつなぐ役割を果たす。

燃料電池スタック１００の発電時には、ポンプによって加圧された空気が、空気供給用マニホールドを通るため、シール部４２１Ａに形成された空気供給用貫通孔４２４ｉを押し広げるような力が働くが、高剛性材料によって形成されている接続部４２８Ａによって、空気供給用貫通孔４２４ｉの対向する長辺が接続されているため、空気供給用貫通孔４２４ｉが変形するのを防止することができる。同様に、カソード４７ｃで反応した残りの空気が空気排出用マニホールドを通って排出される際には、シール部４２１Ａに形成された空気排出用貫通孔４２４ｏを押し広げるような力が働くが、高剛性材料によって形成されている接続部４２８Ａによって、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺が接続されているため、空気排出用貫通孔４２４ｏが変形するのを防止することができる。したがって、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏがマニホールド内を流通する空気の圧力によって変形して、シール部４２１Ａの一部がセパレータ４１ａ、４１ｃより外側へ押し出されることにより、外部に空気が漏洩するのを防止することができる。

また、シール部４２１Ａの一部がセパレータ４１ａ、４１ｃより外側へ押し出されることにより、外部に空気が漏洩するのを防止するためには、セパレータ４１ａ、４１ｃに設けられている空気供給用貫通孔４１４ｉ、空気排出用貫通孔４１４ｏを小さく形成すると共に（例えば、横幅が本実施例の約１／２の貫通孔を、それぞれ、４つずつ形成する。）、シール部４２１Ａに設けられている空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏを同様に小さく形成することも考えられる（すなわち、マニホールド自体を小さく形成する）。しかしながら、マニホールド自体を小さく形成すると、空気の流れを阻害する部分が大きくなるため、マニホールドから空気流路４１４ｐへの空気の分配性が損なわれる。一方、本実施例では、マニホールド自体の形状は変更せず、シール部４２１Ａの空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏに、接続部４２８Ａが設けられているだけであるため、空気の流れを阻害する部分は、微小であり、マニホールド自体を小さく形成する場合と比べて、マニホールドから空気流路４１４ｐへの空気の分配性を、損なわない。したがって、空気の流れをほとんど阻害することなく、燃料電池スタックの外部へ空気が漏洩するのを防止することができる。

Ｂ．第２の実施例：
続いて、本発明の第２の実施例としての燃料電池スタックについて説明する。本実施例における燃料電池スタックの構成は、電極一体ガスケットシール４２Ｂを除いて、第１の実施例と同様であるため、燃料電池スタックの概略構成の説明、およびセパレータの説明は省略する。

Ｂ１．電極一体ガスケットシールの構成：
図６は、電極一体ガスケットシール４２Ｂをカソード側から見た平面図である。図７は、電極一体ガスケットシール４２Ｂに挿入されている補強フィルム４３Ｂの平面図である。また、図８（ａ）は、図６におけるＡ−Ａ断面図、図８（ｂ）は図６におけるＢ−Ｂ断面図である。本実施例における電極一体ガスケットシール４２Ｂは、第１の実施例と異なり、接続部４２８Ｂは、シール部４２１Ｂと同一の材料により、シール部４２１Ｂの一部を成すように一体的に形成されている（後に詳述する）。

電極一体ガスケットシール４２Ｂは、図６に示すように、平面略長方形状を成すＭＥＡ部４４と、ＭＥＡ部４４の外周に形成されたシール部材４２０Ｂとから構成される。本実施例におけるＭＥＡ部４４の構成は、第１の実施例のＭＥＡ４４の構成と同様であるため、説明を省略する。

シール部材４２０Ｂは、ＭＥＡ部４４の外周に枠状に形成されたシール部４２１Ｂと、接続部４２８Ｂと、シール部４２１Ｂの間に挿入され、シール部４２１Ｂを補強するための補強フィルム４３Ｂとから構成される。

シール部４２１Ｂには、第１の実施例と同様に、水素供給用貫通孔４２２ｉ、水素排出用貫通孔４２２ｏ、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏ、冷却水供給用貫通孔４２６ｉ、冷却水排出用貫通孔４２６ｏが形成され、その周囲およびＭＥＡ部４４の周囲を囲むように凸状にシールラインＳＬが形成されている。

接続部４２８Ｂは、シール部４２１Ｂに形成されている空気供給用貫通孔４２４ｉの対向する長辺をつなぐように、両辺に垂直に各貫通孔に２本ずつ形成されている。また、同様に、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺をつなぐように、両辺に垂直に各貫通孔に２本ずつ形成されている。なお、本実施例において、接続部４２８Ｂは、第１の実施例とは異なり、シール部４２１Ｂの一部を成すようにシール部４２１Ｂと一体的に形成されている(図８)。また、接続部４２８Ｂは、後述する補強フィルム４３Ｂと同じ高さになるように形成されている(図８)。

補強フィルム４３Ｂは、図７に示すように、シール部４２１Ｂと同様の平面略長方形の枠状を成す。なお、外周はシール部４２１Ｂより若干小さめに、内周はシール部４２１Ｂより若干大きめに形成されている。また、シール部４２１Ｂと同様に、水素供給用貫通孔４３２ｉ、水素排出用貫通孔４３２ｏ、空気供給用貫通孔４３４ｉ、空気排出用貫通孔４３４ｏ、冷却水供給用貫通孔４３６ｉ、冷却水排出用貫通孔４３６ｏが形成されている。

本実施例においても、第１の実施例と同様に、シリコーンゴムを用い、射出成型によりシール部４２１ＢをＭＥＡ部４４および補強フィルム４３Ｂと一体的に形成している。具体的には、２枚の補強フィルム４３Ｂで、ＭＥＡ部４４の露出している電解質膜４６の周縁部を挟持するように（図７に、ＭＥＡ部４４を破線で示す。）、補強フィルム４３、ＭＥＡ部４４、補強フィルム４３の順に重ねて、金型にセットし、型締めする。続いて、金型のキャビティーにシリコーンゴムを注入する。ここで、キャビティーは、シリコーンゴムを注入すると、シリコーンゴムがＭＥＡ部４４の周縁部を覆うような形状に形成されている。また、空気供給用貫通孔４２４ｉおよび空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺をつなぐ接続部４２８Ｂが形成されるような溝が、各貫通孔ごとに２本ずつ形成されている。そして、シリコーンゴムを硬化させた後、型開きすることにより、図６に示す電極一体ガスケットシール４２Ｂを得る。なお、電解質膜４６と補強フィルム４３Ｂおよび、補強フィルムとシール部４２１Ｂとの間の接着性を向上するために、これらの部分には、プライマーが塗布されている。そして、このような工程によって電極一体ガスケットシール４２Ｂが形成されると、シリコーンゴムが硬化する際の加硫(架橋)反応により、ＭＥＡ部４４と補強フィルム４３Ｂは、それぞれシール部４２１Ｂと接着される。

なお、第１の実施例と同様に、１対のセパレータの間に図６に示す電極一体ガスケットシール４２Ｂを挟んで、燃料電池セル４０を構成している。

Ｂ２．効果：
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１００では、燃料電池スタック１００を構成する燃料電池セル４０において、電極一体ガスケットシール４２Ｂの接続部４２８Ｂが、シール部４２１Ｂの一部を成すように、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺をそれぞれつないでいる。

燃料電池スタック１００の発電時には、ポンプによって加圧された空気が、空気供給用マニホールドを通るため、シール部４２１Ｂに形成された空気供給用貫通孔４２４ｉを押し広げるような力が働くが、接続部４２８Ｂによって、空気供給用貫通孔４２４ｉの対向する長辺が接続されているため、空気供給用貫通孔４２４ｉが変形するのを防止することができる。同様に、カソード４７ｃで反応した残りの空気が空気排出用マニホールドを通って排出される際には、シール部４２１Ｂに形成された空気排出用貫通孔４２４ｏを押し広げるような力が働くが、接続部４２８Ｂによって、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺が接続されているため、空気排出用貫通孔４２４ｏが変形するのを防止することができる。したがって、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏがマニホールド内を流通する空気の圧力によって変形して、シール部４２１Ａの一部がセパレータ４１ａ、４１ｃより外側へ押し出されることにより、外部に空気が漏洩するのを防止することができる。

また、第１の実施例と同様に、マニホールド自体の形状は変更していないため、マニホールドから空気流路への空気の分配をほとんど阻害することなく、空気が燃料電池スタック１００外へ漏洩するのを防止することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記した実施例において、シール部材４２０がＭＥＡ部４４と一体的に形成された電極一体ガスケットシール４２を示したが、ＭＥＡ部４４とは別体とし、独立してシール部材を形成してもよい。独立してシール部材を形成した場合でも、上記した実施例と同様に、空気供給用貫通孔４２４ｉ、空気排出用貫通孔４２４ｏの対向する長辺を接続することによって、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。

（２）上記した第２の実施例において、図８に示すように、接続部４２８Ｂは、シール部材４２０Ｂの厚さ方向の略中央の位置に形成されているが、接続部４２８Ｂを形成する位置はこの位置に限定されない。例えば、空気供給用貫通孔４２４ｉに接続部４２８Ｂを設ける場合に、カソード側セパレータ寄りに接続部４２８を設けてもよい。このようにすることによって、空気供給用マニホールドを流通する空気が、接続部４２８Ｂに当たって、空気流路に入りやすくなる可能性がある。

（３）上記した実施例において、接続部４２８は、各貫通孔の対向する長辺を略垂直につなぐ直線形状を成しているが、本発明は、この形状に限定されるものではない。例えば、２本の接続部がＶ字になるように、各貫通孔の長辺をつないでもよい。さらに、接続部４２８の本数も上記した実施例に限定されない。但し、接続部４２８の本数が多くなると、マニホールドから流路へのガスの分配が妨げられるため、本数は少ない方が好ましい。

（４）上記した実施例において、空気供給用貫通孔４２４ｉおよび空気排出用貫通孔４２４ｏに対して、接続部４２８を設けるものを示したが、例えば、水素供給用貫通孔４２２ｉおよび水素排出用貫通孔４２２ｏに対して、接続部４２８を設けるようにしてもよい。水素供給用貫通孔４２２ｉおよび水素排出用貫通孔４２２ｏに対して、接続部４２８を設けた場合も、同様の効果を得ることができる。すなわち、シール部材がセパレータの外部に押し出されることによって、水素が外部に漏洩するのを防止することができる。

（５）上記した実施例において、ＭＥＡ部４４は、電解質膜４６を他の膜に比べて大きく形成し、電解質膜４６に対して他の膜を積層する際に、他の膜の外周より外側に、電解質膜４６の周縁部が露出するように構成しているが、電解質膜４６を他の膜と同一の大きさに形成してもよい。このようにＭＥＡ部４４を構成した場合は、補強フィルム４３でＭＥＡ部４４の周縁部を挟持するようにして、電極一体ガスケットシール４２を形成すると、ＭＥＡ部４４と補強フィルム４３との接着を確保することができる。

（６）また、電解質膜４６がシール部材４２０の端部にまで亘るように形成してもよい。このようにすることによって、電解質膜４６によって接続部４２８を形成することもできる。

（７）上記した第１の実施例において、接続部４２８Ａは、補強フィルム４３Ａの一部を成すように補強フィルム４３Ａと一体的に形成され、第２の実施例において、接続部４２８Ｂは、シール部４２１Ｂの一部を成すようにシール部４２１Ｂと一体的に形成されているが、本発明は、この構成に限定されるものではない。接続部を、補強フィルムやシール部と異なる材料で、独立して形成してもよい。例えば、棒状を成す接続部の両端に接着剤を塗布して、シール部４２１の空気供給用貫通孔４２４ｉの対抗する長辺をつなぐように挿入しても、空気供給用貫通孔４２４ｉの変形を防止することができるため、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。 セパレータ４１ａ、４１ｃを示す平面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ａをカソード側から見た平面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ａに挿入されている補強フィルム４３Ａの平面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ａを示す断面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ｂをカソード側から見た平面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ｂに挿入されている補強フィルム４３Ｂの平面図である。 電極一体ガスケットシール４２Ｂを示す断面図である。 従来の燃料電池スタックにおける燃料電池セル４０Ｐを示す断面図である。

符号の説明

１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０...燃料電池セル
４０Ｐ...燃料電池セル
４１ａ...アノード側セパレータ
４１ｃ...カソード側セパレータ
４２Ａ...電極一体ガスケットシール
４２Ｂ...電極一体ガスケットシール
４３Ａ...補強フィルム
４３Ｂ...補強フィルム
４６...電解質膜
４７ａ...アノード
４７ｃ...カソード
４７ｃ...カソード側拡散層
４８ａ...アノード用拡散層
４８ｃ...カソード用拡散層
５０...集電板
６０...絶縁板
７０...エンドプレート
８０...テンションプレート
８２...ボルト
１００...燃料電池スタック
４１２ｉ...水素供給用貫通孔
４１２ｏ...水素排出用貫通孔
４１２ｐ...水素流路
４１４ｉ...空気供給用貫通孔
４１４ｏ...空気排出用貫通孔
４１４ｐ...空気流路
４１６ｉ...冷却水供給用貫通孔
４１６ｏ...冷却水排出用貫通孔
４２０Ａ...シール部材
４２０Ｂ...シール部材
４２１Ａ...シール部
４２１Ｂ...シール部
４２２ｉ...水素供給用貫通孔
４２２ｏ...水素排出用貫通孔
４２４ｉ...空気供給用貫通孔
４２４ｏ...空気排出用貫通孔
４２６ｉ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｏ...冷却水排出用貫通孔
４２８Ａ...接続部
４２８Ｂ...接続部
４３２ｉ...水素供給用貫通孔
４３２ｏ...水素排出用貫通孔
４３４ｉ...空気供給用貫通孔
４３４ｏ...空気排出用貫通孔
４３６ｉ...冷却水供給用貫通孔
４３６ｏ...冷却水排出用貫通孔
ＳＬ...シールライン

Claims (6)

1. 電解質膜および電極を有する膜電極接合体を、１対のセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層して成る燃料電池において、前記セパレータの外周部に設けられたセパレータマニホールド孔によって形成されるマニホールドを流通する反応ガスが漏洩するのを防止するために、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置されるシール部材であって、
   前記セパレータマニホールド孔と略同一の形状を成すシール部材マニホールド孔が設けられたシール部と、
   少なくとも１つの前記シール部材マニホールド孔において、前記シール部の外周側に、その一端が接続され、前記シール部材マニホールド孔に架橋する接続部と、
   を備えることを特徴とするシール部材。
2. 請求項１に記載のシール部材であって、
   前記シール部より剛性の高い高剛性材料より成り、前記シール部内に挿入されて、前記シール部を補強するための補強フレームをさらに備え、
   前記接続部は、
   前記高剛性材料より成り、前記補強フレームと一体的に形成されていることを特徴とするシール部材。
3. 請求項１に記載のシール部材であって、
   前記接続部は、
   前記シール部と同一材料を用いて、一体的に形成されていることを特徴とするシール部材。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載のシール部材であって、
   前記膜電極接合体と一体的に形成されていることを特徴とするシール部材。
5. 電解質膜および電極を有する膜電極接合体を、１対のセパレータで挟持した燃料電池セルであって、
   請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載のシール部材を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置して成ることを特徴とする燃料電池セル。
6. 請求項５に記載の燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池。

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