JP5532204B2 - 燃料電池の密封構造 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造に関するものである。
燃料電池は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造を備える。図１１は、従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示す部分断面図、図１２は、同じく積層状態で示す部分断面図である。
これら図１１及び図１２において、参照符号１１０は、電解質膜及びその両面に設けた触媒電極層からなる膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１１の厚さ方向両側に多孔質体からなるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）１１２，１１３を積層一体化した発電体である。そしてこの発電体１１０の厚さ方向両側にカーボンあるいは導電性金属からなるセパレータ１２０，１３０が積層されることによって、燃料電池セル１００が構成される。
各燃料電池セル１００において、発電体１１０における膜−電極複合体１１１の外周部は、一方のセパレータ１２０にゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で一体成形したアノード用シール突条１２１と、他方のセパレータ１３０にゴム状弾性材料で一体成形したカソード用シール突条１３１との間に挟持される。
そして、膜−電極複合体１１１における一方の触媒電極層（アノード）とこれに対向した一方のセパレータ１２０との間には、アノード用シール突条１２１によって燃料ガス流路１００ａが画成され、膜−電極複合体１１１における他方の触媒電極層（カソード）とこれに対向した他方のセパレータ１３０との間には、カソード用シール突条１３１によって酸化剤ガス流路１００ｂが画成される。また、一方のセパレータ１２０におけるアノード用シール突条１２１と反対側の面には冷媒用シール突条１２２がゴム状弾性材料で一体成形されており、隣接する燃料電池セル１００，１００のセパレータ１２０，１３０の間には、この冷媒用シール突条１２２によって冷媒流路１００ｃが画成される。
すなわちこの種の燃料電池は、各燃料電池セル１００において、燃料ガス流路１００ａを流通する燃料ガス（水素）が、ガス拡散層１１２を介して膜−電極複合体１１１のアノード側に供給され、酸化剤ガス流路１００ｂを流通する酸化剤ガス（空気）が、ガス拡散層１１３を介して膜−電極複合体１１１のカソード側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そして各燃料電池セル１００による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル１００を積層して電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、従来の燃料電池の密封構造によれば、一方のセパレータ１２０にアノード用シール突条１２１と冷媒用シール突条１２２を一体成形するほか、他方のセパレータ１３０にもカソード用シール突条１３１を一体成形する必要があった。
また、セパレータ１２０，１３０が薄肉化によって変形しやすくなると、燃料電池セル１００における発電体１１０の両側のセパレータ１２０，１３０の端部同士が接触して電気的に短絡してしまい、発電効率が低下するおそれがある。
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、燃料電池の密封構造において、アノード用及びカソード用のシール突条と冷媒用のシール突条を一枚のセパレータに集約して設けると共に、発電体の両側のセパレータ同士が接触して電気的に短絡するのを防止することにある。
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造は、電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極複合体を有する発電体と、この発電体の厚さ方向一側に配置される第一のセパレータ及び前記発電体の厚さ方向他側に配置される第二のセパレータとを備える燃料電池セルが複数積層された燃料電池において、一の燃料電池セルにおける前記第一のセパレータに、前記一の燃料電池セルにおける前記発電体の外周部に密接される第一のシール突条と、この第一のシール突条より外周側にあって前記一の燃料電池セルにおける前記第二のセパレータに密接される第二のシール突条と、これら第一及び第二のシール突条と並んで***し、前記一の燃料電池セルにおける前記第一のセパレータと前記第二のセパレータの端部間に介在される短絡防止リブが電気絶縁性のゴム状弾性材料で一体成形され、前記第一のセパレータにおける前記第一及び第二のシール突条の***方向と反対側を向いた面に、前記一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルにおける前記第二のセパレータに密接される第三のシール突条が電気絶縁性のゴム状弾性材料で一体成形されたものである。
また、請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブと第三のシール突条が、第一のセパレータに開設された連通孔を介して互いに連続しているものである。
また、請求項３の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、第一のセパレータに、第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブが一体化されると共に前記第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブの***方向と反対側へ後退した第一の保持部と、第三のシール突条が一体化されると共にこの第三のシール突条の***方向と反対側へ後退した第二の保持部が、段差部を介して互いに厚さ方向反対側へ屈曲形成されたものである。
また、請求項４の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項１に記載の構成において、第三のシール突条が第一のシール突条と第二のシール突条の間に位置して設けられたものである。
また、請求項５の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項３に記載の構成において、短絡防止リブが第二の保持部を第三のシール突条と反対側から覆うように設けられたものである。
請求項１の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、第一のセパレータに、一の燃料電池セルにおける発電体の外周部に密接される第一のシール突条と、前記一の燃料電池セルにおける第二のセパレータに密接される第二のシール突条と、前記一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルにおける第二のセパレータに密接される第三のシール突条が設けられ、すなわちアノード用及びカソード用シール突条と冷媒用シール突条を一枚のセパレータに集約して設けた構成とすることができるため、ガスケットの成形工程の簡略化及び組立性の向上を図ることができ、しかも前記一の燃料電池セルにおける第一のセパレータと第二のセパレータが接触して電気的に短絡するのを、第一及び第二のシール突条と並んで***し、一の燃料電池セルにおける前記第一のセパレータと前記第二のセパレータの端部間に介在される短絡防止リブによって有効に防止することができる。
また、請求項２の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項１の構成による効果に加え、第一のセパレータにおける厚さ方向一側の面に設けられた第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブと、第一のセパレータにおける厚さ方向他側の面に設けられた第三のシール突条が、第一のセパレータに開設された連通孔を介して互いに連続しているので、第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブと、第三のシール突条の成形を第一のセパレータの片側から同時に行うことができる。
また、請求項３の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項１の構成による効果に加え、第一のセパレータに形成された第一の保持部が、これに一体化された第一及び第二のシール突条の***方向と反対側へ後退していることによって、第一及び第二のシール突条の十分なつぶし代が確保され、第一のセパレータに形成された第二の保持部が、これに一体化された第三のシール突条の***方向と反対側へ後退していることによって、第三のシール突条の十分なつぶし代が確保され、また、これら第一及び第二の保持部が、段差部を介して互いに反対側へ屈曲しているので、積層厚さの増大を抑制することができる。
また、請求項４の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項１の構成による効果に加え、第三のシール突条が第一のシール突条と第二のシール突条の間に位置して設けられたため、第一〜第三のシール突条の圧縮反力のバランスが良く、これによって発電体の両側の第一のセパレータと第二のセパレータの短絡を防止する機能を一層高めることができる。
また、請求項５の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項３の構成による効果に加え、短絡防止リブが第二の保持部を第三のシール突条と反対側から覆うように設けられたため、幅方向の広い範囲で第二のセパレータを押さえて、発電体の両側の第一のセパレータと第二のセパレータの短絡を防止する機能を一層高めることができる。
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず図１及び図２は本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を示すもので、参照符号１０は、電解質膜及びその両面に設けた触媒電極層からなる膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１の厚さ方向両側に多孔質体からなるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）１２，１３を積層一体化した発電体、参照符号２０は、発電体１０の厚さ方向一側に配置される第一のセパレータ、参照符号３０は、発電体１０の厚さ方向他側に配置される第二のセパレータである。
発電体１０における膜−電極複合体１１は、その両側にあるガス拡散層１２，１３よりも厚さ方向の投影面積が大きく、ガス拡散層１２，１３の外周縁部は、膜−電極複合体１１の外周縁部より内周側へ後退している。したがって、発電体１０の外周部は段差状をなしていて、膜−電極複合体１１の外周部は、ガス拡散層１２，１３の縁部から張り出している。
また、ガス拡散層１２，１３の縁部から張り出した膜−電極複合体１１の外周部は、図３又は図４にも示されるように、少なくとも片面に合成樹脂からなる補強フィルム１４が熱圧着されており、この補強フィルム１４の内周縁は、ガス拡散層１２（及び１３）の縁部と膜−電極複合体１１の間に挟み込まれている。なお、図４のように補強フィルム１４を片面にのみ設ける場合は、後述する第一のシール突条４１によるシール面となる側に設けることが好ましい。
第一のセパレータ２０は薄肉のステンレス鋼板など導電性を有する金属板からなるものであって、その厚さ方向の投影面積は、発電体１０（膜−電極複合体１１）の厚さ方向の投影面積より大きく、発電体１０のガス拡散層１２，１３と対応する領域には互いに厚さ方向反対側へ屈曲した溝２１，２２が交互に形成されており、その外周側の領域には、発電体１０との対向方向と反対側へ後退するように凹状に屈曲した第一の保持部２３が形成されており、更にその外周側の領域には、傾斜面状の段差部２４を介して、第一の保持部２３と反対側へ凹状に屈曲した第二の保持部２５が形成されている。
一方、第二のセパレータ３０も第一のセパレータ２０と同様の薄肉のステンレス鋼板など導電性を有する金属板からなるものであって、その厚さ方向の投影面積は第一のセパレータ２０とほぼ同等であり、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３と対応する領域には互いに厚さ方向反対側へ屈曲した溝３１，３２が交互に形成されており、その外周側の領域には平板状のフランジ部３３が形成されている。
第一のセパレータ２０における厚さ方向一側の面のうち、第一の保持部２３の溝状後退面２３ａには、発電体１０の外周部（膜−電極複合体１１の外周部に熱圧着された補強フィルム１４）に密接される山形の第一のシール突条４１と、この第一のシール突条４１より外周側にあって第二のセパレータ３０のフランジ部３３に密接される山形の第二のシール突条４２と、これら第一及び第二のシール突条４１，４２の幅方向両側に並んで***した短絡防止リブ４３及び変形抑制リブ４５が一体に設けられている。そして第二のシール突条４２の外周側にある短絡防止リブ４３の一部４３ａは膜状に延びて、前記第二の保持部２５による相対的な凸面を覆うように被着されている。
また、短絡防止リブ４３及び前記膜状の部分４３ａの高さは、第一のセパレータ２０における溝２１，２２の形成領域よりも高く、かつ図２の積層状態における第一及び第二のシール突条４１，４２のつぶし代にほぼ相当する分だけこの第一及び第二のシール突条４１，４２より低いものとなっている。
また、第一のセパレータ２０における厚さ方向他側の面のうち、第二の保持部２５の溝状後退面２５ａには、第二のセパレータ３０のフランジ部３３における発電体１０と反対側の面に密接される山形の第三のシール突条４４が一体に設けられている。この第三のシール突条４４の高さは、図２の積層状態におけるつぶし代に相当する分だけ第二の保持部２５の両側の相対的な凸面より高いものとなっている。
第一のセパレータ２０における互いに反対側の面に設けられた、これら第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５と第三のシール突条４４は、第一のセパレータ２０の第一の保持部２３と第二の保持部２５の間の段差部２４に開設された連通孔２６を介して互いに連続したガスケット４０を構成しており、電気絶縁性のゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で一体成形されたものである。
そして図２に示されるように、発電体１０と、その厚さ方向両側に積層される第一のセパレータ２０及び第二のセパレータ３０によって燃料電池セル（単セル）１が構成され、この燃料電池セル１が多数積層されることによって燃料電池スタックが構成される。この積層状態において、互いに隣接する燃料電池セル１同士、言い換えれば一方の燃料電池セル１における第一のセパレータ２０と、これに隣接する燃料電池セル１における第二のセパレータ３０が互いに接触されることによって、隣接する燃料電池セル１が電気的に互いに直列に接続されている。
各燃料電池セル１では、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部が、第一のセパレータ２０に一体に設けられたガスケット４０の第一のシール突条４１と、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３との間に挟持されると共に、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３が第一のセパレータ２０における溝２１，２２が形成された領域と、第二のセパレータ３０における溝３１，３２が形成された領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
発電体１０における一方のガス拡散層１２とこれに当接した第一のセパレータ２０の溝２１との間には、水素を含む燃料ガス（又は酸素を含む酸化剤ガス）の流路Ｆ１が形成され、この流路Ｆ１が形成された領域は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部に熱圧着された補強フィルム１４に適当なつぶし代で密接された第一のシール突条４１によって他の領域から独立して区画される。すなわち第一のシール突条４１は、アノード用（又はカソード用）のシール突条に相当するものであって、膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１２側の触媒電極層であるアノード（又はカソード）に、前記流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して燃料ガス（又は酸化剤ガス）が供給されるようになっている。
また、発電体１０における他方のガス拡散層１３とこれに当接した第二のセパレータ３０の溝３１との間には、酸素を含む酸化剤ガス（又は水素を含む燃料ガス）の流路Ｆ２が形成され、この流路Ｆ２が形成された領域は、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に適当なつぶし代で密接された第二のシール突条４２によって他の領域から独立して区画される。すなわち第二のシール突条４２は、カソード用（又はアノード用）のシール突条に相当するものであって、膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１３側の触媒電極層であるカソード（又はアノード）に、前記流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸化剤ガス（又は燃料ガス）が供給されるようになっている。
また、互いに隣接する燃料電池セル１，１間には、第一のセパレータ２０の溝２２と、この第一のセパレータ２０に当接された第二のセパレータ３０の溝３２によって、冷媒（冷却水）の流路Ｆ３が形成され、この流路Ｆ３が形成された領域は、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に、第二のシール突条４２と反対側から適当なつぶし代で密接された第三のシール突条４４によって他の領域から独立して区画される。すなわち第三のシール突条４４は、冷媒用シール突条に相当するものである。
すなわち上述のように構成された第一の形態において、各燃料電池セル１は、発電体１０の膜−電極複合体１１におけるアノード（又はカソード）に流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して水素を含む燃料ガス（又は酸素を含む酸化剤ガス）が供給され、膜−電極複合体１１におけるカソード（又はアノード）に流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸素を含む酸化剤ガス（又は水素を含む燃料ガス）が供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。またこのときに発生する反応熱は、流路Ｆ３を流通する冷媒により除去される。
そして、第一のセパレータ２０に一体的に設けられたガスケット４０は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（補強フィルム１４）に密接されることによって独立した流路Ｆ１を画成する第一のシール突条４１と、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に密接されることによって独立した流路Ｆ２を画成する第二のシール突条４２と、前記フランジ部３３に前記第二のシール突条４２と反対側から密接されることによって独立した流路Ｆ３を画成する第三のシール突条４４が集約して設けられているため、他の積層部品（第二のセパレータ３０など）に別途ガスケットを設ける必要がない。
また、第一のセパレータ２０における厚さ方向一側の面に第一の保持部２３に位置して設けられた第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５と、他側の面に第二の保持部２５に位置して設けられた第三のシール突条４４が、第一の保持部２３と第二の保持部２５の間の段差部２４に開設された連通孔２６を介して互いに連続しているので、これら第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５と、第三のシール突条４４の成形を、第一のセパレータ２０の両側から行う必要はなく、第一のセパレータ２０の片側から同時に成形することができ、しかも成形材料の流通路となる前記連通孔２６が前記段差部２４に開設されているので成形材料の流れが良く、ガスケット４０の品質を向上することができる。
また、第一のセパレータ２０に屈曲形成された第一の保持部２３が、これに一体化された第一及び第二のシール突条４１，４２の***方向と反対側へ後退しているため、第一及び第二のシール突条４１，４２の十分なボリューム及びつぶし代を確保することができ、同様に、この第一のセパレータ２０に形成された第二の保持部２５が、これに一体化された第三のシール突条４４の***方向と反対側へ後退しているため、第三のシール突条４４の十分なボリューム及びつぶし代を確保することができる。しかもこれら第一及び第二の保持部２３，２５は、段差部２４を介して互いに反対側へ屈曲しているので、第一及び第二のシール突条４１，４２と第三のシール突条４４が互いに逆向きに設けられているにも拘わらず、ガスケット４０の厚さは大きくならず、このため燃料電池セル１の積層厚さの増大を抑制することができる。
またこのガスケット４０に形成された短絡防止リブ４３と変形抑制リブ４５は、第一及び第二のシール突条４１，４２の両側で発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（補強フィルム１４）及び第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に密接されることによってその変形を抑制するものである。そして短絡防止リブ４３の一部４３ａが、第一のセパレータ２０における第二の保持部２５を第三のシール突条４４と反対側から覆うように膜状に延在され、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３との間に介在しているため、発電体１０の両側にある第一のセパレータ２０と第二のセパレータ３０の端部が接触することによる燃料電池セル１内での電気的な短絡を有効に防止することができる。
次に図５及び図６は本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を示すもので、この形態において、先に説明した第一の形態と異なるところは、ガスケット４０における第一及び第二のシール突条４１，４２の内周側の変形抑制リブ４５が第一の保持部２３から立ち上がっており、外周側の短絡防止リブ４３が第二の保持部２５による相対的な凸面をその内周側から外周側まで覆うように形成された点にある。
したがって、この第二の形態も、基本的に第一の形態と同様の効果が実現されるのに加え、第二のシール突条４２の外周側にある短絡防止リブ４３が第二の保持部２５による相対的な凸面をその内周側から外周側まで覆うように、十分に幅広く形成されたことによって、燃料電池セル１における第一のセパレータ２０と第二のセパレータ３０の端部同士の短絡を防止する機能を一層高めることができる。
次に図７及び図８は本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を示すもので、この形態において、先に説明した第一の形態と異なる点について説明すると、第一のセパレータ２０における第一の保持部２３の幅方向中間の領域に、傾斜面状の段差部２４を介して、第一の保持部２３と反対側へ凹状に屈曲した第二の保持部２５が形成されている。
第一の保持部２３のうち第二の保持部２５より内周側の領域には、第一のシール突条４１と、その内周側の変形抑制リブ４５が一体に設けられ、第一の保持部２３のうち第二の保持部２５より外周側の領域には、第二のシール突条４２と、その外周側の短絡防止リブ４３が一体に設けられ、第一のシール突条４１と第二のシール突条４２の間に、第二の保持部２５による相対的な凸面を覆うように形成された中間の短絡防止リブ４３が一体的に設けられ、この中間の短絡防止リブ４３の反対側に位置して、第二の保持部２５に第一及び第二のシール突条４１，４２と逆向きの第三のシール突条４４が一体に設けられている。そして、第一のシール突条４１及びその内周側の変形抑制リブ４５と、第二のシール突条４２及びその内外周両側の短絡防止リブ４３は、第二の保持部２５の両側の段差部２４に開設された連通孔２６を介して第三のシール突条４４と互いに連続したガスケット４０を構成している。
第三の形態におけるその他の構成は、先に説明した第一の形態と同様である。
したがって、この第三の形態も基本的には第一の形態と同様の効果を実現することが可能であるのに加え、第三のシール突条４４が第一のシール突条４１と第二のシール突条４２の間に位置していることによって、これらシール突条４１，４４，４２の圧縮反力のバランスが良く、これによって燃料電池セル１における第一のセパレータ２０と第二のセパレータ３０の端部同士の短絡を防止する機能を一層高めることができる。
次に、図９及び図１０は本発明に係る燃料電池の密封構造の第四の形態を示すもので、この形態において、先に説明した第一〜第三の形態と異なる点について説明すると、第一のセパレータ２０はカーボンによって成形されたものであって、その厚さ方向の投影面積は、発電体１０（膜−電極複合体１１）の厚さ方向の投影面積より大きく、この第一のセパレータ２０における発電体１０のガス拡散層１２との対向面には溝２１が形成されており、その反対側の面には溝２２が形成されており、溝２１が形成された領域の外周側には、この領域より発電体１０との対向方向と反対側へ後退した平面状の第一の保持部２３が形成されており、その反対側の面には、溝２２が形成された面より凹んだ第二の保持部２５が形成されている。
一方、第二のセパレータ３０も第一のセパレータ２０と同様、カーボンによって成形されたものであって、その厚さ方向の投影面積は第一のセパレータ２０とほぼ同等であり、発電体１０のガス拡散層１３との対向面には溝３１が形成されており、その外周側の領域には発電体１０との対向方向へガス拡散層１３の厚さより小さな突出量で突出した平板状のフランジ部３３が形成されている。
第一のセパレータ２０における第一の保持部２３（厚さ方向一側の面）には、発電体１０の外周部（膜−電極複合体１１の外周部に熱圧着された補強フィルム１４）に密接される山形の第一のシール突条４１と、この第一のシール突条４１より外周側にあって第二のセパレータ３０のフランジ部３３に密接される山形の第二のシール突条４２と、これら第一及び第二のシール突条４１，４２の幅方向両側及び第一及び第二のシール突条４１，４２の間に並んで***した短絡防止リブ４３及び変形抑制リブ４５，４６が一体に設けられている。短絡防止リブ４３の高さは、第一のセパレータ２０における溝２１の形成領域より僅かに高く、かつ図１０の積層状態における第一及び第二のシール突条４１，４２のつぶし代を考慮して、それより低いものとなっている。
また、この第一のセパレータ２０における第二の保持部２５（厚さ方向他側の面）には、第二のセパレータ３０のフランジ部３３における発電体１０と反対側の面に密接可能な高さを有する山形の第三のシール突条４４が一体に設けられている。この第三のシール突条４４の高さは、図１０の積層状態におけるつぶし代に相当する分だけ第二の保持部２５の深さより高いものとなっている。
第一のセパレータ２０における互いに反対側の面に設けられた、これら第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５，４６と第三のシール突条４４は、第一のセパレータ２０の第一の保持部２３と第二の保持部２５の間に開設された連通孔２６を介して互いに連続したガスケット４０を構成しており、ゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で一体成形されたものである。
そして図１０に示されるように、発電体１０と、その厚さ方向両側に積層される第一のセパレータ２０及び第二のセパレータ３０によって燃料電池セル（単セル）１が構成され、この燃料電池セル１が多数積層されることによって燃料電池スタックが構成される。この積層状態では、互いに隣接する燃料電池セル１同士、言い換えれば一方の燃料電池セル１における第一のセパレータ２０と、これに隣接する燃料電池セル１における第二のセパレータ３０が互いに接触されることによって、隣接する燃料電池セル１が電気的に互いに直列に接続されている。
各燃料電池セル１では、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部が、第一のセパレータ２０に一体に設けられたガスケット４０の第一のシール突条４１及びその幅方向両側（内外周）の変形抑制リブ４５，４６と、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３との間に挟持されると共に、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３が第一のセパレータ２０における溝２１の形成領域と、第二のセパレータ３０における溝３１の形成領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
そして発電体１０における一方のガス拡散層１２とこれに当接した第一のセパレータ２０の溝２１との間には、水素を含む燃料ガス（又は酸素を含む酸化剤ガス）の流路Ｆ１が形成され、この流路Ｆ１が形成された領域は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部に熱圧着された補強フィルム１４に適当なつぶし代で密接された第一のシール突条４１によって他の領域から独立して区画される。そして、膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１２側の触媒電極層に、前記流路Ｆ１及びガス拡散層１２を介して燃料ガス（又は酸化剤ガス）が供給されるようになっている。
また、発電体１０における他方のガス拡散層１３とこれに当接した第二のセパレータ３０の溝３１との間には、酸素を含む酸化剤ガス（又は水素を含む燃料ガス）の流路Ｆ２が形成され、この流路Ｆ２が形成された領域は、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に適当なつぶし代で密接された第二のシール突条４２によって他の領域から独立して区画される。そして、膜−電極複合体１１におけるガス拡散層１３側の触媒電極層に、前記流路Ｆ２及びガス拡散層１３を介して酸化剤ガス（又は燃料ガス）が供給されるようになっている。
また、互いに隣接する燃料電池セル１，１間には、第一のセパレータ２０の溝２２と、この第一のセパレータ２０に当接された第二のセパレータ３０によって、冷媒（冷却水）の流路Ｆ３が形成され、この流路Ｆ３が形成された領域は、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に、第二のシール突条４２と反対側から適当なつぶし代で密接された第三のシール突条４４によって他の領域から独立して区画される。
上述のように構成された第四の形態も、第一のセパレータ２０に一体的に設けられたガスケット４０は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（補強フィルム１４）に密接されることによって独立した流路Ｆ１を画成する第一のシール突条４１と、第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に密接されることによって独立した流路Ｆ２を画成する第二のシール突条４２と、前記フランジ部３３に前記第二のシール突条４２と反対側から密接されることによって独立した流路Ｆ３を画成する第三のシール突条４４が集約して設けられているため、他の積層部品（第二のセパレータ３０など）に別途ガスケットを設ける必要がない。
また、第一のセパレータ２０における厚さ方向一側の面に第一の保持部２３に位置して設けられた第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５，４６と、他側の面に第二の保持部２５に位置して設けられた第三のシール突条４４が、連通孔２６を介して互いに連続しているので、これら第一のシール突条４１、第二のシール突条４２及び短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５，４６と第三のシール突条４４の成形を、第一のセパレータ２０の両側から行う必要はなく、第一のセパレータ２０の片側から同時に成形することができる。
しかも第一のセパレータ２０に形成された第一の保持部２３が、これに一体化された第一及び第二のシール突条４１，４２の***方向と反対側へ後退しているため、第一及び第二のシール突条４１，４２の十分なボリューム及びつぶし代を確保することができ、同様に、この第一のセパレータ２０に形成された第二の保持部２５が、これに一体化された第三のシール突条４４の***方向と反対側へ後退しているため、第三のシール突条４４の十分なボリューム及びつぶし代を確保することができる。また、これら第一及び第二の保持部２３，２５は、第一のセパレータ２０の肉厚を減少させるように形成されているので、燃料電池セル１の積層厚さの増大を抑制することができる。
またこのガスケット４０に形成された短絡防止リブ４３、変形抑制リブ４５，４６は、発電体１０における膜−電極複合体１１の外周部（補強フィルム１４）、あるいは第二のセパレータ３０におけるフランジ部３３に密接されることによってその変形を抑制するものであり、第一及び第二のシール突条４１，４２の内周側から外周側へかけて、この第一及び第二のシール突条４１，４２と交互に形成されているので、幅方向に広い範囲で支持し、電気絶縁材料であるゴム状弾性材料からなるため、発電体１０の両側の第一のセパレータ２０と第二のセパレータ３０が接触して電気的に短絡するのを有効に防止することができる。
１ 燃料電池セル
１０ 発電体
１１ 膜−電極複合体
１２，１３ ガス拡散層
１４ 補強フィルム
２０ 第一のセパレータ
２３ 第一の保持部
２３ａ，２５ａ 溝状後退面
２４ 段差部
２５ 第二の保持部
２６ 連通孔
３０ 第二のセパレータ
３３ フランジ部
４０ ガスケット
４１ 第一のシール突条
４２ 第二のシール突条
４３ 短絡防止リブ
４４ 第三のシール突条
Ｆ１〜Ｆ３ 流路
１０ 発電体
１１ 膜−電極複合体
１２，１３ ガス拡散層
１４ 補強フィルム
２０ 第一のセパレータ
２３ 第一の保持部
２３ａ，２５ａ 溝状後退面
２４ 段差部
２５ 第二の保持部
２６ 連通孔
３０ 第二のセパレータ
３３ フランジ部
４０ ガスケット
４１ 第一のシール突条
４２ 第二のシール突条
４３ 短絡防止リブ
４４ 第三のシール突条
Ｆ１〜Ｆ３ 流路
Claims (5)
- 電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極複合体を有する発電体と、この発電体の厚さ方向一側に配置される第一のセパレータ及び前記発電体の厚さ方向他側に配置される第二のセパレータとを備える燃料電池セルが複数積層された燃料電池において、一の燃料電池セルにおける前記第一のセパレータに、前記一の燃料電池セルにおける前記発電体の外周部に密接される第一のシール突条と、この第一のシール突条より外周側にあって前記一の燃料電池セルにおける前記第二のセパレータに密接される第二のシール突条と、これら第一及び第二のシール突条と並んで***し、前記一の燃料電池セルにおける前記第一のセパレータと前記第二のセパレータの端部間に介在される短絡防止リブが電気絶縁性のゴム状弾性材料で一体成形され、前記第一のセパレータにおける前記第一及び第二のシール突条の***方向と反対側を向いた面に、前記一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルにおける前記第二のセパレータに密接される第三のシール突条が電気絶縁性のゴム状弾性材料で一体成形されたことを特徴とする燃料電池の密封構造。
- 第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブと第三のシール突条が、第一のセパレータに開設された連通孔を介して互いに連続していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
- 第一のセパレータに、第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブが一体化されると共に前記第一のシール突条、第二のシール突条及び短絡防止リブの***方向と反対側へ後退した第一の保持部と、第三のシール突条が一体化されると共にこの第三のシール突条の***方向と反対側へ後退した第二の保持部が、段差部を介して互いに厚さ方向反対側へ屈曲形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
- 第三のシール突条が第一のシール突条と第二のシール突条の間に位置して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の密封構造。
- 短絡防止リブが第二の保持部を第三のシール突条と反対側から覆うように設けられたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の密封構造。
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