JP4945094B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に係り、特に重ね合わされたセパレータ間でのシール性を高度に且つ安定して得ることの出来る、新規なシール機構を備えた燃料電池に関するものである。

一般に、固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その両面に導電性材料からなる一対のセパレータを重ね合わせた構造の燃料電池セルによって構成されている。この燃料電池セルには、ＭＥＡと各セパレータとの重ね合わせ面間にガス流路が形成されている。そして、かかるガス流路を通じて、ＭＥＡの一方の面には、酸化剤としての酸素（空気）が供給される一方、ＭＥＡの他方の面には、燃料としての水素が供給されるようになっている。これら酸素と水素が固体高分子電界質膜の両面に作用することで、電気化学的反応による起電力が生ぜしめられて、一対のセパレータを通じて電力が取り出されるようになっているのである。

また、かかる燃料電池セル単体では、得られる起電力が非常に小さい。そこで、多くの場合、燃料電池セルの数十〜数百個を直列的に重ね合わせた積層構造をもって、目的とする電圧を発生する燃料電池とされている。

ところで、このような構造とされた燃料電池では、目的とする性能を安定して得るために、互いに重ね合わされたセパレータ間において、流体に対する高度なシール性能が要求される。即ち、各燃料電池セル単体において、ＭＥＡを挟んで重ね合わされた一対のセパレータ間では、ＭＥＡに供給される酸素や水素のガス流路において、高度なシール性能が要求される。また、積層される燃料電池セル間でも、互いに重ね合わされるセパレータ間に冷却水路が形成されることから、かかる冷却水路において、高度がシール性能が要求されるのである。

そこで、例えば、互いに重ね合わされるセパレータ間にガスケットを挟み込んで流体密に封止したシール構造などが提案されている。また、特許文献１（特開２００３−１５７８６７号公報）には、互いに重ね合わされる両セパレータにそれぞれ固着された一組のガスケットで、固体高分子電解質膜を挟圧保持することにより、ＭＥＡの両面に形成されるガス流路をそれぞれ流体密にシールせしめたシール構造も提案されている。

しかしながら、本発明者の更なる研究と実験等により、このような従来構造のシール機構では、未だ十分な流体密性を得ることが難しいことが明らかとなった。

すなわち、前述の如く、燃料電池は、多数の燃料電池セルを直列的に重ね合わせた積層構造をもって形成されるが、重ね合わせ方向の締付力は、殆どの場合、全体として重ね合わせ方向両端部間に作用せしめられるに過ぎない。これにより、各燃料電池セルや隣接する燃料電池セル間で重ね合わされたセパレータ間には、理論上同一の締付力が作用せしめられるが、締付部材との摩擦等の影響によって締付力がばらつくこともある。

また、たとえ同じ締付力が及ぼされたとしても、各燃料電池セルを構成する各部品や部材，部位における製造時や組付時の寸法誤差や歪の発生などは避けられない。

そして、このような製造上や組付上の理由によって、燃料電池においては、互いに重ね合わされたセパレータ間の隙間にばらつきが発生し易いことが明らかとなった。而して、セパレータ間の隙間がばらつくと、セパレータ間でのガスケットに対する挟圧力がばらついてしまう。それ故、全てのセパレータ間におけるシール性能を高い信頼性をもって安定して確保することが難しいことがわかったのである。

なお、高度なシール性能を安定して得るために、燃料電池セルの積層方向における締付力を大きくすることも考えられるが、燃料電池セルを構成するＭＥＡやセパレータ等の各部材は非常に薄肉で強度が小さいことから、締付力を大きくすると損傷等のおそれがあり、現実的でない。また、シールリングのゴム材料には、酸素や水素，水等に対する耐久性やシール性が要求されることから、特別に弾性の大きなゴム材料等を採用することによる対策等も考え難いのである。

特開２００３−１５７８６７号公報

ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、多数の燃料電池セルの積層構造体からなる燃料電池であって、互いに重ね合わされたセパレータ間での流体密性を、特別な部品の組付けや構造の複雑化などを伴うことなく、高い信頼性をもって高度に実現することの出来る、改良された構造の燃料電池を提供することにある。

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意な組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。

先ず、本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜／電極接合体にセパレータが両面から重ね合わされて燃料電池セルが構成され、更に該燃料電池セルの複数が重ね合わされて積層構造とされた燃料電池において、互いに重ね合わされる前記セパレータの重ね合わせ面においてそれぞれ所定厚さでシート状に広がるシールゴム層が形成されており、一方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には開口側に向かって拡幅する断面形状のシール溝が該シールゴム層の表面に直接に開口して形成されていると共に、他方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には先端側に向かって狭幅する断面形状のシール突条が該シールゴム層の表面に突出して形成されており、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられて、該シール突条の幅方向両側の傾斜面が該シール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられて弾性変形せしめられることによりシール機構が構成されている一方、互いに重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シールゴム層の対向面間に隙間が存在せしめられていると共に、前記シール溝の底面と前記シール突条の先端面との対向面間にも隙間が存在せしめられており、更に、該シール突条の先端部分の幅方向両側と該シール溝の開口部分の幅方向両側との両方において、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられることにより該シール突条及び該シール溝の長さ方向に直交する断面における応力分布が集中する角部を形成したことを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、一対のセパレータの対向面間距離が各燃料電池セルで異なる場合であっても、安定したシール効果を発揮せしめることが出来ることから、燃料ガスや酸化ガス、冷却水などの漏れ出しを防いで、発電作用の効率向上を実現することが出来る。

蓋し、複数のセパレータが積層状態で重ね合わせられる燃料電池では、シールゴムの寸法誤差や弾性力の差などによって隣り合うセパレータの対向面間距離が異なる場合があるが、本態様に従う構造とされた燃料電池では、当接によりシール効果を発揮するシール面であるシール突条の幅方向両側面とシール溝の幅方向両側面をそれぞれ傾斜面とすることによって、セパレータの重ね合わせ方向で隣り合うセパレータ間の対向面間距離が変化する場合であっても、シール突条やシール溝の弾性変形量の違いが小さく抑えられるようになっている。それ故、多数のセパレータが積層せしめられる燃料電池において、各セパレータ間で安定して所期のシール性能を発揮せしめることが出来るのである。
このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対してより有利に押し付けられることとなって、シール機構におけるシール性能を有効に発揮せしめることが出来る。
また、シール突条のシール溝への嵌め入れによって膨出変形せしめられたシール突条やシール溝が、重ね合わせられるシールゴム層の対向面間の隙間やシール突条の突出先端側に形成されているシール溝の底面とシール突条の先端面との間の隙間に対して、入り込むように変形可能とされている。それ故、シール突条の幅方向両側面とシール溝の幅方向両側面が均一なシール面とされて、より効果的にシール効果を発揮せしめることが出来る。

また、本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る燃料電池において、前記膜／電極接合体を挟んで重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面において、該膜／電極接合体の周りを取り囲むように前記シール溝と前記シール突条からなる前記シール機構が設けられていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、燃料ガス及び酸化ガスの漏れ出しを有効に防ぐことが出来て、効率的な発電作用を安定して発揮せしめることが可能となる。

また、本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に係る燃料電池において、前記シール溝と前記シール突条が、何れも、左右対称の断面形状とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面とシール溝の幅方向両側の傾斜面に作用する圧力が略同一となることから、各シール面において略等しいシール効果を得ることが出来て、より安定したシールを実現することが可能となる。また、シール突条やシール溝の歪な変形等を回避することも出来て、かかる歪な変形によるシール突条やシール溝の局部的な応力集中やシール性能のばらつきなどを効果的に防ぐことが可能となる。

また、本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記一方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度と、前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記他方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度との差が、±１０度以下とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、傾斜角度の差を十分に小さくすることにより、シール突条とシール溝の圧接状態を面で確保することが出来て、安定したシール性能の発揮を実現できる。

また、本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記一方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度と、前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記他方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度が、何れも、少なくとも互いに押し付けられる領域において、前記セパレータの表面に対して２０度以上且つ７０度以下とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられることから、優れたシール効果と、隣り合うセパレータの対向面間距離のばらつき等によるシール性能のばらつきの回避とを、併せて実現することが出来る。

また、本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面が、該傾斜面上に膨らんで凸となる湾曲傾斜面とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においても、セパレータ間の対向面間距離のばらつきによるシール効果の差を小さく抑えることが出来て、安定したシール効果を得ることが可能である。

また、本発明の第七の態様は、前記第一乃至第六の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝における開口部の幅寸法が、前記シール突条における先端部の幅寸法よりも大きくされていると共に、該シール溝における底部の幅寸法が、該シール突条における先端部の幅寸法よりも小さくされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条のと突出先端部をシール溝の開口部に対して容易に位置合せして挿入することが出来ると共に、更に押し込むことにより、シール突条をシール溝に圧入して、安定してシール効果を得ることが出来る。

また、本発明の第八の態様は、前記第一乃至第七の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シール突条の圧縮代が断面積において５〜２０％とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の圧縮代を所定の割合とすることにより、所期のシール性能を得ることが出来る適当な大きさの押付力の実現と、セパレータの対向面間距離の違い等に起因するシール性能のばらつきの回避とを両立することが出来る。また、シール時の応力によってセパレータが変形する等の不具合を回避しつつ、確実に所期のシール性能を発揮せしめることも可能となる。

また、本発明の第九の態様は、前記第一乃至第八の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記セパレータの表面には、前記シール溝の幅方向両側および前記シール突条の幅方向両側に広がって前記シールゴム層が形成されていると共に、該シール溝の底部も該セパレータの表面が該シールゴム層で被覆されていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の先端面がシール溝の底面に押し付けられるような場合であっても、押付けによる圧力でセパレータが破損する等の不具合を有効に回避することが出来て、より信頼性の高いシール機構を実現することが出来る。また、シール突条の先端面とシール溝の底面との対向面間において腐食環境が形成される場合であっても、シール溝の底面がシールゴム層で被覆されていることにより、セパレータの腐食を有効に回避することが出来る。また、シール溝の成形時におけるバリの発生などを防止することも出来る。

また、本発明の第十の態様は、前記第一乃至第九の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール突条の突出高さ寸法が、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の７５〜１２５％とされていることを、特徴とする。

このような本態様に従う構造とされた燃料電池においては、シール突条の幅方向両側の傾斜面がシール溝の幅方向両側の傾斜面に対して十分に押し付けられることとなって、シール性能を十分に発揮せしめることが出来る。

また、本発明の第十一の態様は、前記第一乃至第十の何れか一つの態様に係る燃料電池において、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の５０〜１２５％の厚さ寸法をもって、前記シール突条の基端部分に前記シールゴム層が形成されていることを、特徴とする。

上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた燃料電池にあっては、多数の燃料電池セルの積層構造体からなる燃料電池において、互いに重ね合わせられた全てのセパレータ間での流体密性を、少ない部品点数と簡易な構造で、高い信頼性をもって高度に実現することが出来る。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。

先ず、図１には、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。かかる固体高分子型燃料電池１０は、本発明に従う構造とされた燃料電池セルとしての単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。

より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質として、その両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。なお、本実施形態において、固体高分子膜１４と燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂは、何れも矩形平板形状であって、固体高分子膜１４が燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂに比して、正面視での面積が大きくされており、それらが重ね合わせられた膜／電極接合体１８において、固体高分子膜１４が全周に亘って燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂよりも外方に延び出している。具体的には、例えば、固体高分子膜１４が正面視で８２ｍｍ×８２ｍｍの正方形とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが７８ｍｍ×７８ｍｍの正方形とされており、全周にわたって固体高分子膜１４が電極１６ａ，１６ｂの外方に２ｍｍ延び出すように重ね合わせられて固着される。

なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。

また、膜／電極接合体１８には、挟み込むように一組のセパレータ２０，２２が重ね合わせられている。なお、本実施形態では、燃料電極１６ａ側に重ね合わせられるセパレータを第一セパレータ２０とすると共に、酸化電極１６ｂ側に重ね合わせられるセパレータを第二セパレータ２２とする。また、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜図５に示されている如き、同一の金属製セパレータ２４が採用されている。

この金属製セパレータ２４は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ２４は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。特に本実施形態では、金属製セパレータ２４が、厚さ寸法：０．３ｍｍとされた金属プレートを用いて成形されている。

具体的には、金属製セパレータ２４には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部２６と第二辺縁部２８に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部２６における３個の貫通孔３０ａ，３０ｅ，３０ｄと、第二辺縁部２８における３個の貫通孔３０ｃ，３０ｆ，３０ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ２４の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ２４を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔３０ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部２６には、上から順に貫通孔３０ａ，３０ｅ，３０ｄが形成されている一方、第二辺縁部２８には、上から順に貫通孔３０ｃ，３０ｆ，３０ｂが形成されている。

これにより、２枚の金属製セパレータ２４，２４を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向で相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、第一セパレータ２０において、図３，図４における各貫通孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３０ａ，燃料ガス排出孔３０ｂ，酸化ガス供給孔３０ｃ，酸化ガス排出孔３０ｄ，冷却水供給孔３０ｅ，冷却水排出孔３０ｆとされている。

さらに、金属製セパレータ２４において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面３４には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部２６の左上部に形成された燃料ガス供給孔３０ａの近くから第二辺縁部２８に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部２８の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部２６に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部２６の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部２８に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部２８の右下部に形成された燃料ガス排出孔３０ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝３２が、形成されている。この凹溝３２は、一つの貫通孔３０を、略対角方向で対向位置する別の貫通孔３０に接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝３２は、水平方向に延びる各直線部分が、主面３４の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。

特に本実施形態において、凹溝３２は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有しており、全長に亘って略一定の断面形状とされている。なお、凹溝３２は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから３．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．５ｍｍから１．５ｍｍとされ、より望ましくは、開口部の溝幅が２．０ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが１．０ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝３２において、隣り合う凹溝３２の間隔は、好適には、開口部において０．５ｍｍから１．５ｍｍとされ、より好適には、１．０ｍｍとされるのが望ましい。

また、金属製セパレータ２４の主面３４において、凹溝３２の各貫通孔３０ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域３６とされている。かかるガス拡散領域３６の周囲には、図４に示されているように、ガス拡散領域３６を囲むようにして主面シールゴム層３８が加硫成形されて被着されており、組付け状態下においてガス拡散領域３６のシールが実現されている。

更に、金属製セパレータ２４の主面３４において、凹溝３２の一部でガス拡散領域３６の外部に形成された部分、即ち、凹溝３２の各貫通孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄへの接続部分である接続部には、その開口部を覆蓋するように、金属製の板材によって形成された蓋板金具４２が橋渡し状に組み付けられている。換言すれば、凹溝３２の貫通孔３０ａ〜ｄへの接続部分である接続部は、蓋板金具４２によって凹溝３２の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。なお、蓋板金具４２に対しても主面シールゴム層３８が被着形成されている。

一方、金属製セパレータ２４において、凹溝３２が開口する主面３４と反対側の副面４６には、図５に示すように、凹状通路４８が形成されている。凹状通路４８は、主面３４に形成された複数条の凹溝３２の間で、副面４６において形成されて、燃料ガス供給孔３０ａの近くから燃料ガス排出孔３０ｂの近くまで延びている。即ち、第一セパレータ２０において、主面３４における凹溝３２間の凸部を、その反対側の副面４６において凹状通路４８として利用しており、酸化ガス供給孔３０ｃ及び酸化ガス排出孔３０ｄの手前まで凹溝３２に沿って延びている。なお、本実施形態における凹状通路４８は、燃料ガス供給孔３０ａ及び燃料ガス排出孔３０ｂ付近において、その両端部分がシールゴムで充填されており、凹状通路４８が燃料ガス供給孔３０ａと燃料ガス排出孔３０ｂに接続されないようになっている。

また、冷却水供給孔３０ｅ及び冷却水排出孔３０ｆの近くには、接続凹所５０が形成されている。接続凹所５０は、一方の端部が冷却水供給孔３０ｅ又は冷却水排出孔３０ｆに接続されている一方、他方の端部が燃料ガス供給孔３０ａ又は燃料ガス排出孔３０ｂの近くまで延びている。

そして、図５に示されているように、副面４６において、金属製セパレータ２４の外周部付近および組付け状態において凹溝３２の底部同士が直接当接せしめられる部分を除く略全面には、副面シールゴム層５２が形成されている。また、副面シールゴム層５２は、好適には、凹状通路４８の内面にも被着形成されており、凹状通路４８内が略全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。

更に、図６に示すように、主面シールゴム層３８の外側、即ち金属製セパレータ２４の外周縁部には、位置決め部５８が略全周に亘って形成されている。位置決め部５８は、樹脂によって形成されており、隣り合う金属製セパレータ２４にそれぞれ形成された位置決め部５８同士が、互いに係合する凹凸形状を有するように形成されており、多数の金属製セパレータ２４を積層状態とすることによって形成される固体高分子型燃料電池１０において、各金属製セパレータ２４を容易に位置合わせすることが可能とされている。

また、図６に示されているように、位置決め部５８が被着形成されている金属製セパレータ２４の外周縁部は、実質的に全周に亘って、凹溝３２が開口形成された主面３４側に開口する凹溝形状とされている。これにより、金属製セパレータ２４の強度を増すと共に、位置決め部５８を一層強固に固定することが可能となっている。

そして、かかる金属製セパレータ２４を用いた第一セパレータ２０と第二セパレータ２２によって膜／電極接合体１８が挟み込まれて、膜／電極接合体１８に対して第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の各主面３４，３４が重ね合わせられることにより、単セル１２が形成される。また、第一セパレータ２０に形成されたガス流通用の凹溝３２の開口が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、トンネル状とされて、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路６０が形成されている。更に、第二セパレータ２２に形成されたガス流通用の凹溝３２の開口が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、トンネル状とされて、酸素（空気）を供給する酸化ガス流路６２が形成されている。更にまた、重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路６４が形成されている。なお、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が、互いに表裏反対となるように重ね合わせられた同一の金属製セパレータ２４で構成されていることにより、第一セパレータ２０においては、凹溝３２によって燃料ガス供給孔３０ａと燃料ガス排出孔３０ｂが接続されるようになっている一方、第二セパレータ２２においては、凹溝３２によって酸化ガス供給孔３０ｃと酸化ガス排出孔３０ｄが接続されるようになっている。

また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部２６と第二辺縁部２８の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３０ａ，燃料ガス排出孔３０ｂ，酸化ガス供給孔３０ｃ，酸化ガス排出孔３０ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３０ａと燃料ガス排出孔３０ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３０ｃと酸化ガス排出孔３０ｄが形成されている。

また、各単セル１２における第一辺縁部２６と第二辺縁部２８の各中央部分には、冷却水供給孔３０ｅと冷却水排出孔３０ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。

なお、上述の如き供給孔３０ａ，３０ｃ，３０ｅや排出孔３０ｂ，３０ｄ，３０ｆは、例えば、第一辺縁部２６又は第二辺縁部２８から１８ｍｍ以内の範囲に形成されており、特に本実施形態では、１４ｍｍ以内の部分に形成されている。

さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。具体的には、例えば、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が正面視で１１８ｍｍ×１１４ｍｍの略長方形とされていると共に、固体高分子膜１４が正面視で８２ｍｍ×８２ｍｍの正方形とされている。

これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３０ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３０ａ〜ｆが形成されている。

なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板６６と陰極側押え板６８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板６６，６８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。

また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板６６と陰極側押え板６８には、燃料ガス供給用ポート７０ａ，燃料ガス排出用ポート７０ｂ，酸化ガス供給用ポート７０ｃ，酸化ガス排出用ポート７０ｄ，冷却水供給用ポート７０ｅ，冷却水排出用ポート７０ｆの合計６個のポート７０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート７０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３０ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート７０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３０ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。

そして、これら各供給用ポート７０ａ，７０ｃ，７０ｅを通じて各供給孔３０ａ，３０ｃ，３０ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路６０および酸化ガス流路６２と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路６４を流通せしめられた後、各排出孔３０ｂ，３０ｄ，３０ｆを経て、各排出用ポート７０ｂ，７０ｄ，７０ｆを通じて排出されるようになっているのである。

これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。

ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に発揮させるには、各単セル１２に対して連続的に供給される燃料ガス及び酸化ガスをガス拡散領域３６から外部に漏らすことなく反応せしめて発電作用を得ると共に、各単セル１２に対して連続的に供給される冷却水を漏出せしめることなく循環させて、単セル１２の温度管理を安定して実現する必要がある。

そこで、本実施形態においては、上述の如く、金属製セパレータ２４の主面３４側に対して、ガス拡散領域３６及び貫通孔３０を取り囲むように形成された主面シールゴム層３８が被着形成されていると共に、金属製セパレータ２４の副面４６側に対して、冷却水流路６４を取り囲むように副面シールゴム層５２が被着形成されている。

主面シールゴム層３８は、ガス拡散領域３６及び貫通孔３０をそれぞれ全周に亘って取り囲むように形成された略シート状のゴム層であって、第一セパレータ２０被着形成された主面シールゴム層３８ａに対して、ガス拡散領域３６（膜／電極接合体１８）と貫通孔３０をそれぞれ全周に亘って取り囲むようにシール凸条７２が形成されている一方、第二セパレータ２２に被着された主面シールゴム層３８ｂに対して、第一セパレータ２０との重ね合わせ状態下でシール凸条７２に対応する位置にシール凹溝７４が形成されている。なお、主面シールゴム層３８ａの厚さ寸法は、主面シールゴム層３８ｂの厚さ寸法の５０％以上且つ１２５％以下とされていることが望ましく、特に本実施形態では、主面シールゴム層３８ａと主面シールゴム層３８ｂが略等しい厚さ寸法で形成されている。

シール凸条７２は、図７，８に示されているように、略一定の台形断面形状とされている。特に本実施形態では、シール凸条７２は、その断面形状が、突出先端側に向かって次第に狭幅せしめられた略等脚台形状となっており、左右対称な形状を有している。また、シール凸条７２の幅方向両側の傾斜面の傾斜角度は２０度以上且つ７０度以下であることが望ましい。なお、シール凸条７２において角が形成される部位に対しては、破損などを回避するために、適宜に面取り加工を施されることが望ましい。

一方、シール凹溝７４は、図７，８に示されているように、略一定の台形断面形状とされている。特に本実施形態では、シール凹溝７４は、開口部側に向かって次第に拡幅せしめられており、シール凹溝７４の両側壁面が傾斜面で構成されている。また、図８にも示されているように、シール凹溝７４の断面形状が左右対称な形状を有している。なお、シール凸条７２と同様に、シール凹溝７４において角が形成される部位に対しても、破損などを回避するために、適宜に面取り加工を施されることが望ましい。また、シール凹溝７４の底面が主面シールゴム層３８ｂと一体的に形成されたゴム弾性体で構成されて、第二セパレータ２２がシール凹溝７４の底面においてもゴム弾性体で覆われていることが望ましい。これにより、シール凸条７２の第二セパレータ２２への接触による破損等の不具合を有効に回避することが出来る。

また、シール凸条７２とシール凹溝７４の幅方向両側面の傾斜角度の差は、±１０度以下であることが望ましく、本実施形態では、シール凸条７２の側壁面と凹溝３２の側壁面の傾斜角度が略等しくされている。また、シール凸条７２の突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ が凹溝３２の底部の幅寸法：Ｗ1 よりも大きくされていると共に、シール凸条７２の基端部の幅寸法：Ｂ₂ が凹溝３２の開口部の幅寸法：Ｗ2 よりも大きくされている一方、シール凸条７２の突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ が凹溝３２の開口部の幅寸法：Ｗ₂ よりも小さくされている。

なお、シール凸条７２は、その突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ が、０．１ｍｍ≦Ｂ₁ ≦０．４ｍｍとされていることが望ましく、より好適には、０．２ｍｍ≦Ｂ₁ ≦０．３ｍｍとされている。また、シール凸条７２の基端部の幅寸法：Ｂ₂ は、０．２ｍｍ≦Ｂ₂ ≦０．６ｍｍとされていることが望ましく、より好適には、０．３ｍｍ≦Ｂ₂ ≦０．５ｍｍとされている。更に、シール凸条７２の突出高さ寸法：Ｈは、第二セパレータ２２に被着された主面シールゴム層３８ｂの厚さ寸法に対して５０％以上１２５％以下とされていることが望ましい。また、より好適には、シール凸条７２の突出高さ寸法：Ｈは、第二セパレータ２２に被着された主面シールゴム層３８ｂの厚さ寸法に対して７５％以上１２５％以下とされており、更に好適には、シール凸条７２の突出高さ寸法：Ｈが主面シールゴム層３８ｂの厚さ寸法と略等しくされている。特に本実施形態におけるシール凸条７２は、突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ ＝０．２５ｍｍ、基端部の幅寸法：Ｂ₂ ＝０．４ｍｍ、突出高さ寸法：Ｈ＝０．２５ｍｍとされている。

一方、シール凹溝７４は、その底部の幅寸法：Ｗ₁ が０．０５ｍｍ≦Ｗ₁ ≦０．３ｍｍとされていることが望ましく、より好適には、０．１ｍｍ≦Ｗ₁ ≦０．２ｍｍとされている。また、シール凹溝７４の開口部の幅寸法：Ｗ₂ は、０．１ｍｍ≦Ｗ₂ ≦０．５ｍｍとされていることが望ましく、より好適には、０．２ｍｍ≦Ｗ₂ ≦０．４ｍｍとされている。更に、シール凹溝７４の深さ寸法：Ｄは、第二セパレータ２２に被着形成された主面シールゴム層３８ｂの厚さ寸法の８０％以上とされていることが望ましい。特に本実施形態におけるシール凹溝７４は、底部の幅寸法：Ｗ₁ ＝０．１６２ｍｍ、開口部の幅寸法：Ｗ₂ ＝０．３ｍｍ、深さ寸法：Ｄ＝０．２ｍｍとされている。

そして、これらシール凸条７２とシール凹溝７４は、単セル１２において、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間でシール凸条７２がシール凹溝７４に嵌め入れられてシール効果が発揮されるようになっている。即ち、シール凸条７２の側壁面とシール凹溝７４の側壁面の傾斜角度が略同一とされていると共に、シール凸条７２の突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ がシール凹溝７４の底部の幅寸法：Ｗ₁ よりも大きくされていることにより、シール凸条７２の両側傾斜面がシール凹溝７４の両側傾斜面に対して圧接せしめられることとなって、シール凸条７２とシール凹溝７４の係合によるシール効果が有効に発揮されるシール機構が構成されているのである。なお、本実施形態では、固体高分子膜１４の外周部分が主面シールゴム層３８ａ，３８ｂ間に挟み込まれており、固体高分子膜１４が主面シールゴム層３８ａ，３８ｂの間に挟圧保持されることによっても有効にシール効果を得ることができるようになっている。

このようなシール機構によれば、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２との重ね合わせ方向で作用せしめられる組付力の分力がシール凸条７２とシール凹溝７４の幅方向両側面である傾斜面がシール力として作用する。かかる分力は組付力に比して小さく、それに伴ってシール力のばらつきを小さくすることが出来る。また、シール凸条７２とシール凹溝７４の幅方向両側面である傾斜面においてシール凸条７２がシール凹溝７４に押圧されていることから、シール凸条７２及びシール凹溝７４が圧縮変形とともに、せん断変形を生じる。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の対向面間距離が異なる場合であっても、シール凸条７２とシール凹溝７４の幅方向両側面間に生じるシール力が安定して発揮される。

なお、シール効果を十分に得るためには、縦断面における圧縮代の面積：Ｓ₁ ＋Ｓ₂ は、縦断面における台形ＡＤＨＥの面積：Ｓ₃ に対して１０％以上且つ４０％以下とされていることが望ましい。特に、シール性能を有利に発揮せしめるためには、略２５％とされていることが望ましい。蓋し、通常のゴムシールで一方をシールゴム、他方が剛体とされている場合の圧縮代は、ゴムシールの厚さ方向で２５％が望ましいが、本実施形態では、発生するシール応力（押付力）によって金属製セパレータ２４が変形する等の影響を受けることを回避するために、圧縮代を半分の１２．５％に設定した。但し、本実施形態では、シール凸条７２とシール凹溝７４が何れもゴム弾性体で形成されていることから、図８に示された縦断面において、設計時の寸法でシール凸条７２とシール凹溝７４の重なり合う部分の面積（Ｓ₁ ＋Ｓ₂ ）を略２５％とすることにより、シール凸条７２とシール凹溝７４がそれぞれ略１２．５％ずつ圧縮されるようになっている。

また、図８に示された本実施形態にかかるシール機構の断面図において、圧縮代である台形ＡＢＦＥの面積：Ｓ₁ と台形ＣＤＨＧの面積：Ｓ₂ の和は、台形ＡＤＨＥの面積：Ｓ₃ と台形ＢＣＧＦの面積：Ｓ₄ の差によって求めることが出来る。
（１）台形ＡＤＨＥの面積：Ｓ₃
Ｓ₃ ＝｛（ＡＤ＋ＨＥ）／２｝×（０．２５−０．０５）
＝[ ｛（０．０７５／０．２５）×０．２×２＋０．２５｝／２] ×０．２
＝０．０６２０
（２）台形ＢＣＧＦの面積：Ｓ₄
Ｓ₄ ＝｛（ＢＣ＋ＧＦ）／２｝×（０．２５−０．０５）
＝[ ｛０．３０＋｛（０．０２５／０．２２５）×０．０６９×２＋０．１６２｝｝／２] ×０．２
≒０．０４７７
（３）台形ＡＢＦＥの面積：Ｓ₁ と台形ＣＤＨＧの面積：Ｓ₂ の和
Ｓ₁ ＋Ｓ₂ ＝（Ｓ₃ −Ｓ₄ ）≒０．０６２０−０．０４７７＝０．０１４３

また、上記のＳ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ の数値から、本実施形態における圧縮代の面積：Ｓ₁ ＋Ｓ₂ の台形ＡＤＨＥの面積：Ｓ₃ に対する割合：｛（Ｓ₁ ＋Ｓ₂ ）／Ｓ₃ ｝×１００（％）を求めることが出来る。
すなわち、本実施形態における圧縮代の面積は、
（４）圧縮代の面積：Ｓ₁ ＋Ｓ₂ の台形ＡＤＨＥの面積：Ｓ₃ に対する割合
｛（Ｓ₁ ＋Ｓ₂ ）／Ｓ₃ ｝×１００≒（０．０１４３／０．０６２０）×１００
≒２３．１（％）
とされている。

また、本実施形態では、シール凸条７２の突出先端部の幅寸法：Ｂ₁ がシール凹溝７４の開口部の幅寸法：Ｗ₂ よりも小さくされていることにより、シール凸条７２が容易にシール凹溝７４に挿入されるようになっている。

ところで、本実施形態では、金属製セパレータ２４の主面３４側に固着された主面シールゴム層３８に対してシール凸条７２やシール凹溝７４が形成されて、シール機構が構成されている一方、図５において太線で示されているように、副面４６側に固着された副面シールゴム層５２に対しては、第一セパレータ２０に固着された副面シールゴム層５２ａに対してシール凹溝７６が形成されていると共に、第二セパレータ２２に固着された副面シールゴム層５２ｂに対してシール凸条７８が形成されており、冷却水の漏れ出しを防ぐためのシール機構が構成されている。

かかる副面４６側に形成されたシール凸条７８とシール凹溝７６は、副面４６に形成された冷却水流路６４や貫通孔３０ａ〜ｆの周囲をそれぞれ囲むように延びて形成されている。なお、副面シールゴム層５２と一体的に形成されたシール凸条７８とシール凹溝７６は、上述した主面シールゴム層３８と一体的に形成されたシール凸条７２及びシール凹溝７４と、その断面形状や寸法等において略同一の構造を有しており、組付け状態においてシール効果が発揮される原理等についても同一であることから、冗長な記載を避けるために詳細な説明を省略する。

このような本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池１０においては、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２との重ね合わせ面間において主面シールゴム層３８ａと主面シールゴム層３８ｂが重ね合わせられて、主面シールゴム層３８ａに形成されたシール凸条７２が、主面シールゴム層３８ｂに形成されたシール凹溝７４に圧入されることにより、主面シールゴム層３８ａと主面シールゴム層３８ｂの対向面間が流体密にシールされている一方、副面シールゴム層５２ａと副面シールゴム層５２ｂが重ね合わせられて、副面シールゴム層５２ｂに形成されたシール凸条７８が、副面シールゴム層５２ａに形成されたシール凹溝７６に圧入されることにより、副面シールゴム層５２ａと副面シールゴム層５２ｂの対向面間が流体密にシールされている。これにより、燃料ガスや酸化ガスや、冷却水の漏れ出しによる発電効率の低下などの不具合を有利に回避することが出来て、固体高分子型燃料電池１０の性能向上を実現することが出来る。

特に、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池１０では、多数の単セル１２が積層された状態で積層方向に組付け力を作用せしめる場合に問題となり易い、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の対向面間距離のばらつきによるシール性能の差が比較的小さくされている。即ち、シール凸条７２（７８）の幅方向両側面が何れも略同一の傾斜角度で傾斜せしめられた傾斜面とされていると共に、シール凹溝７４（７６）の幅方向両側面が何れもシール凸条７２（７８）の幅方向両側面と略同一の傾斜角度で傾斜せしめられた傾斜面とされていることから、重ね合わせ方向で作用せしめられる圧縮力の分力によってシール性能が発揮せしめられるようになっており、組付力が直接的に作用せしめられてシール効果が発揮される場合に比して、作用する組付力の大きさが異なる場合におけるシール性能の差が小さく抑えられているのである。

また、第一セパレータ２０に固着された主面シールゴム層３８ａと第二セパレータ２２に固着された主面シールゴム層３８ｂの間に固体高分子膜１４が挟みこまれていることにより、主面シールゴム層３８ａ，３８ｂ間に隙間が生じて、図８に示されているように、シール凸条７２の突出先端面とシール凹溝７４の底面が離隔して位置せしめられる。それ故、シール凸条７２のシール凹溝７４に対する圧入によってシール凸条７２及びシール凹溝７４が弾性変形せしめられた場合に、シール凸条７２の基端部分とシール凹溝７４の開口部分が弾性変形せしめられて主面シールゴム層３８ａ，３８ｂの対向面間に挟み込まれると共に、シール凸条７２の突出先端面とシール凹溝７４の底面の対向面間のスペースが膨出変形せしめられたゴム弾性体によって充填されることとなって、シール凸条７２とシール凹溝７４の幅方向両側壁面において均一なシール面が形成されて主面３４側におけるシール性能を一層有利に得ることが出来る。

また、図９には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部であるシール機構（組付け状態におけるシール凸条８２及びシール凹溝８４）の断面図が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同一の部材乃至は部位については、図中に同一の符号を付すことにより、詳細な説明を省略する。

本実施形態における固体高分子型燃料電池においては、主面シールゴム層７６ａに略半円形状の一定断面で延びるシール凸条８２が形成されている。より詳細には、シール凸条８２は、前記第一の実施形態と略同様に、ガス拡散領域３６と貫通孔３０をそれぞれ囲むように形成されている。なお、シール凸条８２は、その断面における直径が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることが望ましく、本実施形態では、直径０．４５ｍｍの略半円形状とされている。また、本実施形態におけるシール凸条８２においては、半円形状とされた部分が、０．０５ｍｍの高さを有して主面シールゴム層７６ａから突出せしめられた段差と一体的に形成されている。また、該段差の両側面には、半径０．０５ｍｍのフィレットアールが全長に亘って形成されており、シール凸条８２が主面シールゴム層７６ａに対して滑らかに接続されている。これにより、本実施形態におけるシール凸条８２は、その高さ寸法が０．２３ｍｍとされている。また、シール凸条８２は、その基端部の幅寸法が、後述するシール凹溝（８４）の開口部の幅寸法よりも大きくされていることが望ましく、特に本実施形態では０．４５ｍｍとされている。なお、本実施形態におけるシール凸条８２は、略半円形の断面形状を有していることからも明らかなように、幅方向両側面を含む表面が、外方に凸となる略湾曲傾斜面を有して構成されている。

また、本実施形態における固体高分子型燃料電池では、主面シールゴム層７６ｂにシール凹溝８４が形成されている。シール凹溝８４は、台形状の断面形状で延びて形成されており、開口側に向かって次第に拡開する形状とされている。また、本実施形態におけるシール凹溝８４の底面は、第二セパレータ２２によって構成されている。要するに、本実施形態におけるシール凹溝８４では、底面に主面シールゴム層７６ｂが形成されていない。なお、特に本実施形態におけるシール凹溝８４では、底面の溝幅寸法が０．２０ｍｍとされていると共に、開口部における溝幅寸法が０．４０ｍｍとされている。また、第二セパレータ２２の金属腐食等を避けるために、第二セパレータ２２を耐食材料で構成したり、腐食防止のための耐食皮膜加工を施したりすることが望ましい。

ここにおいて、第一セパレータ２０の主面３４と第二セパレータ２２の主面３４が膜／電極接合体１８を挟んで重ね合わせられると、第一セパレータ２０に固着された主面シールゴム層７６ａと一体形成されたシール凸条８２が第二セパレータ２２に固着された主面シールゴム層７６ｂに形成されたシール凹溝８４に対して圧入される。特に本実施形態では、シール凸条８２が略半円形断面で形成されているとともに、シール凹溝８４が略等脚台形断面を有する溝形状とされていることにより、シール凸条８２がシール凹溝８４に容易に挿入されると共に、ある程度まで挿入された後には、シール凸条８２の表面の一部とシール凹溝８４の側壁面が圧接せしめられることとなり、かかる圧接点において、シール効果が有効に発揮せしめられることとなる。

特に本実施形態では、シール凸条８２の基端部の幅寸法が、シール凹溝８４の開口部の幅寸法よりも大きくされている。それ故、シール凸条８２をシール凹溝８４に圧入して、確実にシール効果を発揮せしめることが出来る。

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。

例えば、前記第一の実施形態において等脚台形断面を有するシール凸条７２を示すと共に、前記第二の実施形態において略半円形断面を有するシール凸条８２を示し、それらが圧入されるシール凹溝７４，８４を等脚台形断面形状とした例を示したが、シール凸条は、これらの実施形態における具体的な記載によって何等限定されるものではない。具体的には、例えば、図１０に示されているシール凸条８６とそれに対応する断面形状とされたシール凹溝８７のように、シール凸条及びシール凹溝の幅方向両側面が互いに異なる傾斜角度を有する傾斜面で構成されていても良い。

また、前記第一，第二の実施形態では、シール凹溝７４，７８，８４が何れも台形断面を有する溝形状とされていたが、シール凹溝の形状は前記第一，第二の実施形態における具体的な記載によって何等限定されるものではない。具体的には、例えば、略半円形断面の溝形状等であっても良い。

また、前記第一，第二の実施形態におけるシール凸条７２，７６，８２やシール凹溝７４，７８，８４等の具体的な寸法については、好適な数値であって、何等限定的に解釈されるものではない。

また、前記第一, 第二の実施形態では、ガス拡散領域３６と貫通孔３０がそれぞれ一条のシール凸条７２（８２）（シール凹溝７４（８４））によって取り囲まれていたが、かかるシール凸条７２（８２）やシール凹溝７４（８４）は、何れも複数条が形成されていても良い。このように複数条のシール凸条７２，７２・・・やシール凹溝７４，７４・・・を形成することにより、より確実なシール効果を得ることが出来て、発電効率の低下を有効に防ぐことが出来る。勿論、副面４６側に形成されるシール凸条７８やシール凹溝７６が複数条形成されていても良い。

また、前記第一，第二の実施形態では、第一セパレータ２０に固着された主面シールゴム層３８ａにシール凸条７２が形成されていると共に、第二セパレータ２２に固着された主面シールゴム層３８ｂにシール凹溝７４が形成されている例を示したが、酸化ガス流路６２を形成する第二セパレータ２２側にシール凸条を形成すると共に、燃料ガス流路６０を形成する第一セパレータ２０にシール凹溝７４が形成されていても良い。また、副面４６側に形成されるシール凸条７８とシール凹溝７６も、何れが第一セパレータ２０に形成されていても良い。また、一方のセパレータにシール凸条７２又はシール凹溝７４の何れか一方のみが形成されている必要はなく、例えば、一つの金属製セパレータ２４に固着された主面シールゴム層３８に対して、ガス拡散領域３６を取り囲むようにシール凸条７２が形成されていると共に、貫通孔３０を取り囲むようにシール凹溝７４が形成されていても良い。

また、前記第一，第二の実施形態では、主面３４側に形成されたシール凸条７２（８２）と副面４６側に形成されたシール凸条７８が略同一の断面形状とされていると共に、主面３４側に形成されたシール凹溝７４（８４）と副面４６側に形成されたシール凹溝７６が略同一の断面形状とされている例を示したが、必ずしも主面３４側のシール凸条７２（８２）やシール凹溝７４（８４）と副面４６側のシール凸条７８やシール凹溝７６が同一形状とされている必要はなく、例えば、要求されるシール性能に応じて、断面形状を異ならせたり、寸法を異ならせたりすることも可能である。

また、金属製セパレータ２４に形成される凹溝３２は、前記第一，第二の実施形態に示されているように葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。更に、凹溝３２の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。

さらに、前記第一，第二の実施形態では、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が同一の金属製セパレータ２４によって構成されていたが、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２は、必ずしも同一の金属製セパレータ２４で構成されている必要はなく、異なる形状等を有するセパレータで構成されていても良い。また、セパレータは、必ずしも金属製である必要はなく、ガスの不透過性や導電性、耐食性等の要求性能を満たす材料であればよい。具体的には、例えば、カーボン製や導電性樹脂製等の各種セパレータが採用可能である。

また、前記実施形態では、冷却水流路６４を凹溝３２によって金属製セパレータ２４の副面４６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路６４は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面４６上で冷却水供給孔３０ｅと冷却水排出孔３０ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。

また、凹溝３２が接続される燃料ガス供給孔３０ａと燃料ガス排出孔ｂ、或いは、凹状通路４８が接続される冷却水供給孔３０ｅと冷却水排出孔３０ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。勿論、酸化ガス供給孔３０ｃ及び酸化ガス排出孔３０ｄについても同様であることは言うまでもない。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。

次に、このような本発明の一実施例として、シミュレーション結果のデータを示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとする。なお、本発明が以下に示す実施例の記載によって何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもない。また、本発明には、以下に記載の実施例の他にも、更には、上記の実施形態の記載以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

先ず、第一セパレータ２０に固着される主面シールゴム層３８ａと第二セパレータ２２に固着されるを主面シールゴム層３８ｂを形成するために用いるゴム材料としては、本実施形態においては、ＨＳ＝７０とされたエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）を採用した場合を想定してシミュレーションを実施した。また、かかるゴム材料のヤング率：Ｅが５．０９６Ｍｐａであると共に、ゴム材料のポアソン比：νが０．４９５とされている。なお、本実施例におけるシミュレーションには、ゴム材料用の非線形計算を行うことが出来るシミュレーションソフトを使用した。

かかるゴム材料を用いて、本発明に従う構造とされたシール凸条７２及びシール凹溝７４を有する主面シールゴム層３８と、比較対象としての従来構造のシール構造を有する主面シールゴム層８８，９０をそれぞれ構築した。なお、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層３８は、前記実施形態において示した構造を有しており、その形状及び寸法なども前記実施形態において示されている形状や寸法に順ずる。また、従来のシール構造を有する主面シールゴム層８８は、図１１に示されているように、第一セパレータ２０に固着された主面シールゴム層８８ａに略半円形の断面形状を有するシール凸条９２が形成されている一方、第二セパレータ２２に固着された主面シールゴム層８８ｂが略平坦面とされている。特に本実施例では、シール凸条９２が直径０．３ｍｍの略半円形断面を有している。更に、従来のシール構造を有する主面シールゴム層９０は、図１２に示されているように、第一セパレータ２０に固着された主面シールゴム層９０ａに突出先端部分が略半円形の断面形状を有すると共に、基端部分が略台形の断面形状を有するシール凸条９４が形成されていると共に、かかるシール凸条９４を挟んだ両側にシール凸条９４に沿って延びる凹溝が形成されている一方、第二セパレータ２２に固着された主面シールゴム層９０ｂが略平坦面とされている。特に本実施例では、シール凸条９４の突出高さ寸法が０．１５ｍｍとされており、突出先端部分が直径０．２ｍｍの半円形の断面形状とされている。また、シール凸条９４を挟んだ両側に形成された凹溝は、深さ寸法が０．１ｍｍとされており、底部の幅寸法が０．０５ｍｍとされている。

そして、組付状態において、各主面シールゴム層３８の全体の厚さ寸法がそれぞれＴ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ とされた三つの状態でそれぞれ主面シールゴム層３８内部の応力分布を実測した。即ち、主面シールゴム層３８ａと主面シールゴム層３８ｂとの対向面間距離を異ならせることにより、
条件（Ａ）：厚さ寸法：Ｔ₁ ＝０．５５０ｍｍ
条件（Ｂ）：厚さ寸法：Ｔ₂ ＝Ｔ₁ −０．０２５ｍｍ＝０．５２５ｍｍ
条件（Ｃ）：厚さ寸法：Ｔ₃ ＝Ｔ₁ ＋０．０２５ｍｍ＝０．５７５ｍｍ
とされた三つの条件下における応力分布を測定した。なお、条件（Ａ），条件（Ｂ），条件（Ｃ）における応力分布の実測データをそれぞれ図１３，１４，１５に示す。

また、主面シールゴム層８８ａ，８８ｂ及び主面シールゴム層９０ａ，９０ｂにおいても、同様に厚さ寸法：Ｔの異なる三つの状態において主面シールゴム層８８ａ，８８ｂ及び主面シールゴム層９０ａ，９０ｂの応力分布を実測した。なお、図１６，１７，１８に、条件（Ａ），条件（Ｂ），条件（Ｃ）における主面シールゴム層８８ａ，８４の応力分布の実測データを示すと共に、図１９，２０，２１には、条件（Ａ），条件（Ｂ），条件（Ｃ）における主面シールゴム層９０ａ，９０ｂの応力分布の実測データを示す。

図１３，１４，１５によれば、本発明に従う主面シールゴム層３８ａ，３８ｂでは、シール凸条７２とシール凹溝７４の側壁面の一部、即ち、矢印で示されたシール凸条７２の突出先端部分において、応力の最大値が計測された。具体的には、図１３に示されているように、条件（Ａ）においては、シール凸条７２の突出先端付近で応力の最大値として１．４７ＭＰａの応力値が計測された。また、図１４に示されているように、条件（Ｂ）においては、シール凸条７２の突出先端付近で応力の最大値として１．５６ＭＰａの応力値が計測された。更に、図１５に示されているように、条件（Ｃ）においては、シール凸条７２の突出先端付近で応力の最大値として１．１７ＭＰａの応力値が計測された。

一方、図１６，１７，１８によれば、従来構造の主面シールゴム層８８ａ，８４では、シール凸条９２が押し付けられる主面シールゴム層８８ｂの内部において応力の最大値が計測された。具体的には、図１６に示されているように、条件（Ａ）においては、主面シールゴム層８８ｂの内部で応力の最大値として１．５５ＭＰａの応力値が計測された。また、図１７に示されているように、条件（Ｂ）においては、主面シールゴム層８８ｂの内部で応力の最大値として２．０８ＭＰａの応力値が計測された。更に、図１８に示されているように、条件（Ｃ）においては、主面シールゴム層８８ｂの内部で応力の最大値として１．１３ＭＰａの応力値が計測された。

更にまた、図１９，２０，２１によれば、従来構造の主面シールゴム層９０ａ，９０ｂでは、シール凸条９４の内部において応力の最大値が計測された。具体的には、図１９に示されているように、条件（Ａ）においては、シール凸条９４の内部で応力の最大値として１．７４ＭＰａの応力値が計測された。また、図２０に示されているように、条件（Ｂ）においては、シール凸条９４の内部で応力の最大値として２．２６ＭＰａの応力値が計測された。更に、図２１に示されているように、条件（Ｃ）においては、シール凸条９４の内部で応力の最大値として１．３０ＭＰａの応力値が計測された。

以上の応力分布の実測データによって、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層３８ａ，３８ｂでは、主面シールゴム層間の離隔距離が異なる場合における応力のばらつきが最も小さくなることが証明された。

すなわち、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層３８では、条件（Ａ）における応力の最大値と条件（Ｂ）における応力の最大値との差が０．０９ＭＰａとなっている。また、条件（Ａ）における応力の最大値：と条件（Ｃ）における応力の最大値の差が０．３０ＭＰａとなっている。

一方、従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層８８では、条件（Ａ）における応力の最大値と条件（Ｂ）における応力の最大値の差が０．５３ＭＰａとなっている。また、条件（Ａ）における応力の最大値：と条件（Ｃ）における応力の最大値の差が０．４２ＭＰａとなっている。

また一方、従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層９０では、条件（Ａ）における応力の最大値と条件（Ｂ）における応力の最大値の差が０．５２ＭＰａとなっている。また、条件（Ａ）における応力の最大値：と条件（Ｃ）における応力の最大値の差が０．４４ＭＰａとなっている。

以上より明らかなように、主面シールゴム層の対向面間距離が基準となるＴ1 とされた条件（Ａ）と、条件（Ａ）に対して一対の主面シールゴム層の対向面間距離が２５μｍだけ接近せしめられた場合である条件（Ｂ）と、条件（Ａ）に対して一対の主面シールゴム層の対向面間距離が２５μｍだけ離隔せしめられた場合である条件（Ｃ）の３つの条件下でのシミュレーションにおいて、本発明に従う構造とされた主面シールゴム層３８は、各条件間における応力の最大値の差が最も小さい。即ち、本発明に従う構造を有する主面シールゴム層３８（シール機構）では、重ね合わせられる一対の主面シールゴム層３８ａ，３８ｂの対向面間距離が異なる場合であっても、安定して所期のシール性能を発揮できることがシミュレーションによっても証明されたのである。

しかも、従来構造のシール機構のシミュレーション結果を示した図１６〜図２１によれば、最大の応力がシール面（シール凸条と主面シールゴム層の圧接部分）ではなく、主面シールゴム層８８ｂ又は主面シールゴム層９０ａに形成されたシール凸条９４の内部において生じており、生じる応力をシール効果に巧く利用することが出来ないと共に、十分なシール効果を得るためには、過大な内部応力が生じることとなり、かかる内部応力による耐久性の低下などの悪影響が生じるおそれがある。一方、図１３〜１５に示されたシミュレーションの結果によれば、本発明に従う構造とされたシール機構においては、シール面（シール凸条７２の幅方向両側面とシール凹溝７４の幅方向両側面）において最大の応力が計測されており、シール構造において発揮される最大の応力を巧くシール効果の発現に利用していることが明らかである。従って、かかるシール機構を有する本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池１０においては、重ね合わせ方向で作用せしめられる圧縮力が比較的小さい場合においても十分なシール効果を発揮することが出来ると共に、優れた耐久性を実現することも出来得るのである。

本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池を示した斜視説明図である。 図１に示された燃料電池を構成する単セルを示した斜視説明図である。 図１に示された燃料電池を構成する金属製セパレータの主面を示した正面図である。 図３に示された金属製セパレータの主面に主面シールゴム層を被着形成した状態を示す正面図である。 図４に示された金属製セパレータの副面に副面シールゴム層を被着形成した状態を示す正面図である。 図１に示された燃料電池を構成する単セルの組付け状態における位置決め部を拡大して示す縦断面拡大図である。 図１に示された燃料電池を構成する単セルの組付け状態における主面シールゴム層を拡大して示す縦断面拡大図である。 図７に示された主面シールゴム層の要部を示す縦断面説明図である。 本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部を示す縦断面説明図である。 本発明の別の一実施形態としての固体高分子型燃料電池の要部を示す縦断面説明図である。 比較対象としての従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層を示す縦断面説明図である。 比較対象としての別の従来構造のシール機構を有する主面シールゴム層を示す縦断面説明図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。 実施例としてのシミュレーションによる応力分布の計測結果を示す応力分布図である。

１０ 固体高分子型燃料電池（燃料電池）
１２ 単セル
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
３６ ガス拡散領域
３８ａ 主面シールゴム層
３８ｂ 主面シールゴム層
５２ 副面シールゴム層
７２ シール凸条
７４ シール凹溝
７６ シール突条
７８ シール凹溝

Claims (13)

1. 固体高分子電解質膜の両面に電極を配した膜／電極接合体にセパレータが両面から重ね合わされて燃料電池セルが構成され、更に該燃料電池セルの複数が重ね合わされて積層構造とされた燃料電池において、
   互いに重ね合わされる前記セパレータの重ね合わせ面においてそれぞれ所定厚さでシート状に広がるシールゴム層が形成されており、一方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には開口側に向かって拡幅する断面形状のシール溝が該シールゴム層の表面に直接に開口して形成されていると共に、他方の該セパレータの重ね合わせ面における該シールゴム層には先端側に向かって狭幅する断面形状のシール突条が該シールゴム層の表面に突出して形成されており、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられて、該シール突条の幅方向両側の傾斜面が該シール溝の幅方向両側の傾斜面に対して押し付けられて弾性変形せしめられることによりシール機構が構成されている一方、
   互いに重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シールゴム層の対向面間に隙間が存在せしめられていると共に、前記シール溝の底面と前記シール突条の先端面との対向面間にも隙間が存在せしめられており、更に、
   該シール突条の先端部分の幅方向両側と該シール溝の開口部分の幅方向両側との両方において、該シール突条が該シール溝に嵌め入れられることにより該シール突条及び該シール溝の長さ方向に直交する断面における応力分布が集中する角部を形成した
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記膜／電極接合体を挟んで重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面において、該膜／電極接合体の周りを取り囲むように前記シール溝と前記シール突条からなる前記シール機構が設けられている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール溝と前記シール突条が、何れも、左右対称の断面形状とされている請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記シール溝の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記一方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度と、前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記他方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度との差が、±１０度以下とされている請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
5. 前記シール溝の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記一方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度と、前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面の前記他方のセパレータにおける重ね合わせ面に対する傾斜角度が、何れも、少なくとも互いに押し付けられる領域において、前記セパレータの表面に対して２０度以上且つ７０度以下とされている請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。
6. 前記シール突条の長さ方向に直交する断面における幅方向両側の傾斜面が、該傾斜面上に膨らんで凸となる湾曲傾斜面とされている請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池。
7. 前記シール溝における開口部の幅寸法が、前記シール突条における先端部の幅寸法よりも大きくされていると共に、該シール溝における底部の幅寸法が、該シール突条における先端部の幅寸法よりも小さくされている請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータの重ね合わせ面間において、前記シール突条の圧縮代が断面積において５〜２０％とされている請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池。
9. 前記セパレータの表面には、前記シール溝の幅方向両側および前記シール突条の幅方向両側に広がって前記シールゴム層が形成されていると共に、該シール溝の底部も該セパレータの表面が該シールゴム層で被覆されている請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池。
10. 前記シール突条の突出高寸法が、前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の７５〜１２５％とされている請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池。
11. 前記シール溝が形成された前記シールゴム層の厚さ寸法の５０〜１２５％の厚さ寸法をもって、前記シール突条の基端部分に前記シールゴム層が形成されている請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池。
12. 前記膜／電極接合体を挟んで重ね合わされた前記セパレータの重ね合わせ面において、前記シール突条よりも内周側に位置して該膜／電極接合体の周りを取り囲んでガス拡散領域の周囲をシールする主面シールゴムが設けられている請求項１〜１１の何れか１項に記載の燃料電池。
13. 前記主面シールゴムが前記シールゴム層と一体形成されており、
    前記膜／電極接合体の外周部分が、前記セパレータの重ね合わせ面において各該セパレータに設けられた該主面シールゴムの間に挟圧保持されている請求項１２に記載の燃料電池。