JP3292670B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質膜をシール
するための燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子電解質膜を挟んでア
ノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構
造体を、セパレータによって挟持して複数積層すること
により構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実
用化されつつある。

【０００３】この種の燃料電池は、燃料ガス（水素）を
アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気
または酸素）をカソード側電極に供給することにより、
前記燃料ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流
れ、これにより外部に電気エネルギが得られるように構
成されている。

【０００４】この場合、上記燃料電池では、有効な発電
機能を発揮させるために、固体高分子電解質膜を適度な
湿潤状態に維持することが必要とされている。このた
め、燃料ガスや酸化剤ガスを予め水により加湿する加湿
装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結して構成
することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガス
を燃料電池構造体に供給するものが知られている。

【０００５】上記加湿装置は、通常、水透過性膜の両面
を燃料ガス流路が形成されたセパレータと加湿水流路が
形成されたセパレータとで挟持した第１積層体と、他の
水透過性膜の両面を酸化剤ガス流路が形成されたセパレ
ータと加湿水流路が形成されたセパレータとで挟持した
第２積層体とを、交互に積層して構成されている。

【０００６】ところで、燃料電池および加湿装置では、
燃料ガスや酸化剤ガスが固体高分子電解質膜および水透
過性膜の周縁部から漏れないように、気密にガスシール
する必要がある。このため、一般的に、固体高分子電解
質膜および水透過性膜の周縁部にＯリングを配設したシ
ール構造が採用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池および加湿装置では、固体高分子電解質膜および水透
過性膜として、極めて薄いフイルム状の薄膜体、例え
ば、イオン交換膜が使用されている。このため、図７に
示すように、薄膜体２の両側に配設されるＯリング４
ａ、４ｂの相対位置が、加工、組み付けによる誤差やず
れに起因して変動すると、前記薄膜体２が変形して損傷
し易くなり、場合によっては破損するという問題が指摘
されている。しかも、Ｏリング４ａ、４ｂの位置が互い
にずれてしまい、確実なシール性を得ることができない
というおそれもある。

【０００８】そこで、特開平８−１４８１７０号公報に
開示されているように、電極の周縁部を緻密化してこの
緻密化部分によりガスシールを行うシール方法が知られ
ている。しかしながら、上記の従来技術では、電極の製
造工程中に、緻密化剤による緻密化処理を行う必要があ
り、前記電極の製造工程が煩雑化するとともに、製造コ
ストが高騰するという問題が指摘されている。

【０００９】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、電解質膜の損傷を有効に阻止する
とともに、確実なシール性を得ることが可能な燃料電池
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、電解質膜の両面に互いに対向して配設
される第１および第２シール部材が、それぞれの接触面
部の幅寸法を異なるように設定される。すなわち、第１
シール部材の接触面部全体が、対向する第２シール部材
の接触面部の輪郭形状内に配置されており、前記第１お
よび第２シール部材に相対的な誤差や位置ずれが生じて
も、その寸法差によって吸収することができる。これに
より、電解質膜を傷付けることなく確実に固定すること
が可能になるとともに、良好なシール性を確保すること
ができる。

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る燃料電池１
２にシール構造１０が組み込まれた状態の概略縦断面説
明図である。

【００１３】燃料電池１２は、燃料電池構造体１４と、
この燃料電池構造体１４を挟持する第１および第２セパ
レータ１６、１８とを備え、必要に応じてこれらが複数
積層されている。燃料電池構造体１４は、例えば、イオ
ン交換膜からなる固体高分子電解質膜２０と、この電解
質膜２０を挟んで配設されるアノード側電極２２および
カソード側電極２４とを有する。

【００１４】第１セパレータ１６は、略矩形状を有して
おり、その中央部にアノード側電極２２に燃料ガス（例
えば、水素）を供給するための第１開口部２６が形成さ
れる。この第１セパレータ１６の合わせ面側には、アノ
ード側電極２２を収容するための第１凹部２８が形成さ
れるとともに、この第１凹部２８を囲繞して開口断面が
矩形状の第１シール溝３０が設けられる。

【００１５】第２セパレータ１８は、第１セパレータ１
６と同様に、その中央部にカソード側電極２４に酸化剤
ガス（例えば、空気または酸素）を供給するための第２
開口部３２が形成される。第２セパレータ１８の合わせ
面には、カソード側電極２４を収容するための第２凹部
３４と、この第２凹部３４を囲繞するとともに、第１セ
パレータ１６の第１シール溝３０に対向して第２シール
溝３６が設けられる。第１シール溝３０は、第２シール
溝３６の幅寸法よりも小さな幅寸法に設定されるととも
に、この第２シール溝３６の内部に沿って設けられてい
る。

【００１６】シール構造１０は、第１および第２セパレ
ータ１６、１８の第１および第２シール溝３０、３６に
配設される第１および第２シール部材３８、４０を備え
る。図１および図２に示すように、第１および第２シー
ル部材３８、４０は、断面矩形状を有する角リングであ
り、樹脂材料で形成された弾性体シールを構成してい
る。

【００１７】第１シール部材３８は、電解質膜２０に直
接接触する平面状の第１接触面部４２を有し、図３に示
すように、この第１接触面部４２の幅寸法Ｈ１が設定さ
れている。第２シール部材４０は、同様に平面状の第２
接触面部４４を有するとともに、この第２接触面部４４
が、図３に示すように所定の幅寸法Ｈ２（＞Ｈ１）に設
定されている。第１シール部材３８は、第１セパレータ
１６の第１シール溝３０の内壁面に両面テープ４６を介
して保持される一方、第２シール部材４０は、第２セパ
レータ１８の第２シール溝３６の内壁面に両面テープ４
８を介して保持されている。なお、両面テープ４６、４
８に代替して、接着剤等を用いてもよい。

【００１８】図３および図４に示すように、第１および
第２シール部材３８、４０は、燃料電池構造体１４を挟
んで互いに対向するとともに、前記第１シール部材３８
の第１接触面部４２全体が、対向する前記第２シール部
材４０の第２接触面部４４の輪郭形状内に配置される。

【００１９】このように構成されるシール構造１０で
は、第１および第２シール部材３８、４０が、断面矩形
状の角リングに構成されるとともに、前記第１シール部
材３８の第１接触面部４２の幅寸法Ｈ１が、前記第２シ
ール部材４０の第２接触面部４４の幅寸法Ｈ２よりも小
さく設定されている。そして、第１および第２シール部
材３８、４０が、燃料電池構造体１４を挟持すべく対向
した状態では、この第１シール部材３８の第１接触面部
４２全体が前記第２シール部材４０の第２接触面部４４
の輪郭形状内に収容されている（図３および図４参
照）。

【００２０】これにより、加工や組み付けに起因して第
１および第２シール部材３８、４０に相対的な位置ずれ
が生じても、それぞれの幅寸法Ｈ１、Ｈ２の寸法差によ
って吸収することができ、前記第１シール部材３８が前
記第２シール部材４０の第２接触面部４４の輪郭形状外
にはみ出ることがない。従って、極めて簡単な構成で、
薄膜体である電解質膜２０を傷付けることがなく、この
電解質膜２０の損傷を可及的に低減し得るという効果が
ある。しかも、第１および第２シール部材３８、４０に
より電解質膜２０を確実に固定することが可能になると
ともに、良好なシール性を確保して、燃料ガスや酸化剤
ガスの漏れを有効に阻止することができる。

【００２１】なお、第１および第２セパレータ１６、１
８に第１および第２シール部材３８、４０が配設されて
いるが、この第１および第２シール部材３８、４０を入
れ替えてもよい。

【００２２】図５は、シール構造１０に代わるシール構
造１０ａを加湿装置６０に組み込んだ状態の概略縦断面
説明図である。

【００２３】加湿装置６０は、積層方向（矢印Ｘ方向）
に向かって、燃料ガス用の第１供給板（第１セパレー
タ）６２と、第１水透過膜６４ａと、加湿水用の第２供
給板（第２セパレータ）６６と、第２水透過膜６４ｂ
と、酸化剤ガスおよび燃料ガス用の第３供給板（第１セ
パレータ）６８と、第３水透過膜６４ｃと、前記第２供
給板６６と、第４水透過膜６４ｄと、酸化剤ガス用の第
４供給板（第１セパレータ）７０とを一体的に配置して
おり、その積層方向両端に図示しないエンドプレートが
設けられる。

【００２４】第１供給板６２の一面側には、水平方向に
延在する複数の突起７２を設けることにより、第１水透
過膜６４ａの一方の面側に鉛直方向に向かって蛇行する
燃料ガス流路７４ａが形成される。第１供給板６２の下
部側には、燃料ガス通路７６ａ、加湿水通路７６ｂおよ
び酸化剤ガス通路７６ｃが形成されるとともに、この第
１供給板６２の上部側には、燃料ガス通路７８ａ、加湿
水通路７８ｂおよび酸化剤ガス通路７８ｃが形成され
る。燃料ガス通路７６ａ、７８ａは、溝部（図示せず）
を介して燃料ガス流路７４ａに連通している。

【００２５】第１供給板６２の両面には、それぞれの下
部側および上部側に燃料ガス通路７６ａ、加湿水通路７
６ｂおよび酸化剤ガス通路７６ｃと、燃料ガス通路７８
ａ、加湿水通路７８ｂおよび酸化剤ガス通路７８ｃとを
囲繞して、第１シール溝８０ａ、８０ｂと、第２シール
溝８２ａ、８２ｂとが形成される。第１シール溝８０
ａ、８０ｂの開口幅は、第２シール溝８２ａ、８２ｂの
開口幅よりも小さく設定されている。

【００２６】第１水透過膜６４ａは、例えば、イオン交
換膜で構成されており、その下部側に燃料ガス通路８４
ａ、加湿水通路８４ｂおよび酸化剤ガス通路８４ｃが貫
通形成される一方、その上部側に燃料ガス通路８６ａ、
加湿水通路８６ｂおよび酸化剤ガス通路８６ｃが貫通形
成される。第２〜第４水透過膜６４ｂ〜６４ｄは、第１
水透過膜６４ａと同様に構成されており、その詳細な説
明は省略する。

【００２７】第２供給板６６は、両面に水平方向に延在
する複数の突起８８ａ、８８ｂを有し、この突起８８
ａ、８８ｂと第１および第２水透過膜６４ａ、６４ｂの
他方の面との間に水流路９０ａ、９０ｂが形成される。
第２供給板６６の下部側には、燃料ガス通路９２ａ、加
湿水通路９２ｂおよび酸化剤ガス通路９２ｃが貫通形成
されるとともに、この第２供給板６６の上部側には、燃
料ガス通路９４ａ、加湿水通路９４ｂおよび酸化剤ガス
通路９４ｃが貫通形成される。加湿水通路９２ｂ、９４
ｂは、第２供給板６６の両面でそれぞれ溝部（図示せ
ず）を介して水流路９０ａ、９０ｂに連通している。第
２供給板６６の両面には、それぞれの下部側および上部
側に、第１シール溝９６ａ、９６ｂと第２シール溝９８
ａ、９８ｂとが形成される。

【００２８】第３供給板６８は、その両面に水平方向に
延在する複数の突起１００ａ、１００ｂを有する。突起
１００ａと第２水透過膜６４ｂの一方の面との間には、
酸化剤ガス流路１０２ａが形成され、突起１００ｂと第
３水透過膜６４ｃの一方の面との間には、燃料ガス流路
７４ｂが形成される。第３供給板６８の下部側および上
部側には、燃料ガス通路１０４ａ、１０６ａ、加湿水通
路１０４ｂ、１０６ｂおよび酸化剤ガス通路１０４ｃ、
１０６ｃが貫通形成される。酸化剤ガス通路１０４ｃ、
１０６ｃは、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路１
０２ａに連通するとともに、燃料ガス通路１０４ａ、１
０６ａは、溝部（図示せず）を介して燃料ガス流路７４
ｂに連通する。第３供給板６８の両面には、その下部側
および上部側に、第１シール溝１０８ａ、１０８ｂと第
２シール溝１１０ａ、１１０ｂとが形成される。

【００２９】第３水透過性膜６４ｃと第４水透過膜６４
ｄとの間には、第２供給板６６が配置される。第２供給
板６６の両面と第３および第４水透過膜６４ｃ、６４ｄ
の他方の面との間には、水流路９０ｃ、９０ｄが形成さ
れる。

【００３０】第４供給板７０は、その一面に水平方向に
延在する複数の突起１１２を設けることにより、この突
起１１２と第４水透過膜６４ｄの一方の面との間に酸化
剤ガス流路１０２ｂが形成される。

【００３１】第４供給板７０の下部側および上部側に
は、燃料ガス通路１１４ａ、１１６ａ、加湿水通路１１
４ｂ、１１６ｂおよび酸化剤ガス通路１１４ｃ、１１６
ｃが形成され、この酸化剤ガス通路１１４ｃ、１１６ｃ
は、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路１０２ｂに
連通する。第４供給板７０の両面には、その下部および
上部に、第１シール溝１１８ａ、１１８ｂと第２シール
溝１２０ａ、１２０ｂとが形成される。

【００３２】シール構造１０ａは、第１シール溝８０
ａ、８０ｂ、９６ａ、９６ｂ、１０８ａ、１０８ｂおよ
び１１８ａ、１１８ｂに配設される第１シール部材１２
２と、第２シール溝８２ａ、８２ｂ、９８ａ、９８ｂ、
１１０ａ、１１０ｂおよび１２０ａ、１２０ｂに配設さ
れる第２シール部材１２４とを備える。第１および第２
シール部材１２２、１２４は、断面矩形状を有する角リ
ングを構成しており、弾性を有する樹脂性材料で形成さ
れる。

【００３３】図６に示すように、第１シール部材１２２
の平面状の第１接触面部１２６の幅寸法Ｈ３は、第２シ
ール部材１２４の平面状の第２接触面部１２８の幅寸法
Ｈ４よりも小さく設定される。第１接触面部１２６全体
は、対向する第２シール部材１２４の第２接触面部１２
８の輪郭形状内に配置されている。

【００３４】このように構成されるシール構造１０ａで
は、第１および第２シール部材１２２、１２４が、図６
に示すように、それぞれの平面状の第１および第２接触
面部１２６、１２８を第１〜第４水透過膜６４ａ〜６４
ｄの両面に接触させるとともに、前記第１接触面部１２
６が前記第２接触面部１２８の輪郭形状内に全て収容さ
れている。

【００３５】従って、シール構造１０ａは、上述したシ
ール構造１０と同様に、第１および第２シール部材１２
２、１２４に相対的な位置ずれが生じても、その寸法差
によって吸収することができる。これにより、第１〜第
４水透過膜６４ａ〜６４ｄに損傷を与えることがなく、
確実に固定するとともに、良好なシール性を確保するこ
とが可能になるという効果が得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池で
は、電解質膜の両面に断面矩形状の第１および第２シー
ル部材が配設されるとともに、この第１シール部材の接
触面部全体が対向する前記第２シール部材の接触面部の
輪郭形状内に配置されている。これにより、第１および
第２シール部材に相対的な位置ずれが生じても、その寸
法差によって吸収することができ、電解質膜の損傷を可
及的に阻止するとともに、確実な固定機能と良好なシー
ル性とを確保することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池にシール構造が組み込ま
れた状態の概略縦断面説明図である。

【図２】前記シール構造の要部分解斜視説明図である。

【図３】前記シール構造の要部拡大縦断面説明図であ
る。

【図４】前記シール構造の正面説明図である。

【図５】別のシール構造を加湿装置に組み込んだ状態の
概略縦断面説明図である。

【図６】前記シール構造の要部拡大縦断面説明図であ
る。

【図７】従来技術に係るシール構造の縦断面説明図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 隆文 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社 本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平８−180883（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02,8/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
   ソード側電極とで挟んで構成される燃料電池構造体を挟
   持する第１および第２セパレータと、 前記固体高分子電解質膜の両面に互いに対向して配設さ
   れる第１および第２シール部材と、 を備え、 前記第１および第２セパレータは、前記固体高分子電解
   質膜の周面を直接挟持する平坦面に形成され、前記アノ
   ード側電極および前記カソード側電極を囲繞するととも
   に、前記第１および第２シール部材が収容される第１お
   よび第２シール溝と、 を設け、 前記第１および第２シール部材は、断面矩形状を有し、
   かつそれぞれの平面状接触面部の幅寸法が異なるように
   設定されるとともに、 前記第１シール部材の接触面部全体が、対向する前記第
   ２シール部材の接触面部の輪郭形状内に配置されること
   を特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記第１および第２セパレータは、前記ア
   ノード側電極および前記カソード側電極を収容する第１
   および第２凹部を設けることを特徴とする燃料電池。