燃料電池のシール構造
【課題】膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうち片方のセパレータに溝加工やガスケット一体成形を施す必要がなく、もって部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化ならびに低コスト化を実現できる燃料電池シール構造を提供する。
【解決手段】電解質膜の両面に電極層を設けた膜電極複合体と、膜電極複合体を挟み込むセパレータとを有し、電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜の平面寸法は電極層より大きく設定され、セパレータの平面寸法は電解質膜より更に大きく設定されている。以上の基本構成のもと、一方のセパレータに保持され他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、一方のセパレータに保持され電解質膜に密接する第二ガスケットとが設けられ、第二ガスケットが密接する電解質膜をその裏面側から補強すべく電極層と別体の補強部材が設けられている。
【解決手段】電解質膜の両面に電極層を設けた膜電極複合体と、膜電極複合体を挟み込むセパレータとを有し、電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜の平面寸法は電極層より大きく設定され、セパレータの平面寸法は電解質膜より更に大きく設定されている。以上の基本構成のもと、一方のセパレータに保持され他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、一方のセパレータに保持され電解質膜に密接する第二ガスケットとが設けられ、第二ガスケットが密接する電解質膜をその裏面側から補強すべく電極層と別体の補強部材が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から図９に示すように、電解質膜５２の両面に一対の電極層５３，５４を設けた膜電極複合体５１を有し、この膜電極複合体５１を一対のセパレータ５５，５６によって挟み込む構造の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。またこの燃料電池においては、燃料ガス等の流体をシールするため膜電極複合体５１の周縁部においてアノード側およびカソード側にそれぞれガスケット５７，５８が組み付けられており、この図９の例では、一対のセパレータ５５，５６の対応する位置にそれぞれ溝５５ａ，５６ａが設けられ、各溝５５ａ，５６ａにガスケット５７，５８が装着され、各ガスケット５７，５８が電解質膜５２に密接している。またこのほか、一対のセパレータ５５，５６の対応する位置にそれぞれガスケット５７，５８が一体成形され、各ガスケット５７，５８が電解質膜５２に密接するものもある。
【０００３】
ところで昨今、燃料電池の普及を図るべく、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が求められており、この点、上記従来技術では、一対のセパレータにそれぞれ溝加工やガスケット一体成形を施す必要があるため、未だ解決すべき課題が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４１４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みて、膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうちで片方のセパレータに溝加工やガスケット一体成形を施す必要がなく、もってこの点で部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化を実現することができる燃料電池のシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるシール構造は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、前記膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとを有し、前記一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、前記電解質膜の平面寸法は前記電極層より大きく設定され、前記セパレータの平面寸法は前記電解質膜より更に大きく設定されている燃料電池に備えられるシール構造であって、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、前記第一ガスケットの内周側において前記一方のセパレータに保持されるとともに前記電解質膜に密接する第二ガスケットとを有し、前記第二ガスケットが密接する前記電解質膜をその裏面側から補強すべく前記電解質膜と前記他方のセパレータとの間に前記電極層とは別体の補強部材が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の請求項２によるシール構造は、上記した請求項１記載のシール構造において、前記電解質膜の裏面側に設けられる前記補強部材と平面上重なる位置において前記電解質膜の表面側に保護部材が設けられ、この保護部材に対し前記第二ガスケットが密接することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項３によるシール構造は、上記した請求項１または２記載のシール構造において、前記補強部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項４によるシール構造は、上記した請求項２または３記載のシール構造において、前記保護部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする。
【００１０】
上記構成を備える本発明のシール構造においては、先ずは基本構成として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、この膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとが設けられ、一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜の平面寸法は電極層より大きく設定され、セパレータの平面寸法は電解質膜より更に大きく設定されている。したがって膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうちで一方のセパレータには、他方のセパレータと向かい合う部位とその内周側で電解質膜と向かい合う部位とが双方備えられるので、この両部位にアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットを双方集約して設定する。ガスケットの内訳としては、一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、第一ガスケットの内周側において一方のセパレータに保持されるとともに電解質膜に密接する第二ガスケットとが設けられることになる。
【００１１】
尚、この構造によると、第一ガスケットは一対のセパレータ間の全間隔に亙って設けられるので他方のセパレータとの間にシール面圧を確保することができるが、第二ガスケットについては電解質膜の裏面側に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜がこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで本発明では、併せてこの空間に補強部材を設置し、逃げを防止し、シール面圧を確保するようにした。
【００１２】
補強部材としては、上記基本構成における各部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することはできないので、補強専用の部品を用意し、これを電解質膜と他方のセパレータとの間に配置する。補強専用の部品としては、その設置目的からして第二ガスケットよりも硬度が大きなものであればその内容を問わないが、例えば樹脂フィルムとし、すなわち電解質膜および他方のセパレータ間の間隔と同等の厚みを備える樹脂フィルムを専用部品として利用する。
【００１３】
また、上記したように電解質膜の裏面側に補強部材を設置するのに関連して、併せて電解質膜の表面側に保護部材を設置することが考えられ、このように保護部材を設置すると第二ガスケットが電解質膜ではなくこの保護部材に密接するため、密接により電解質膜の表面が損傷するのを抑制することが可能となる。保護部材としては例えば樹脂フィルムとし、すなわち所定の厚みを備える樹脂フィルムを専用部品として利用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００１５】
すなわち、本発明においては上記したように、膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうち一方のセパレータにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設定されるので、他方のセパレータにはガスケットを保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化を実現することができる。
【００１６】
また、第二ガスケットが密接する電解質膜をその裏面側から補強すべく電解質膜と他方のセパレータとの間に補強部材を設けるようにしたため、アノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットともに十分なシール面圧を確保することができる。補強部材として例えば一方の電極層を延長して利用する場合には比較的高価な部品を割り増しで用意する必要があって部品コストが大幅に増大するところ、樹脂フィルムなど比較的安価な部品を用いることによりこの種の弊害が生じるのを防止することもできる。
【００１７】
また、電解質膜の裏面側に補強部材を設置するのに関連して、併せて電解質膜の表面側に保護部材を設置することにより、電解質膜を保護することができ、すなわち電解質膜にガスケットが密接して電解質膜の表面が損傷するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図２】本発明の第二実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図３】本発明の第三実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図４】本発明の第四実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図５】本発明の第五実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図６】本発明の第六実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図７】本発明の第七実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図８】本発明の第八実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図９】従来例に係る燃料電池シール構造の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）本発明は、燃料電池のシール構造に係り、また一般ガスケットによるシール構造に関する。
（２）課題
これからの燃料電池の普及にはスタックの低コスト化が必要であり、スタックに使用されるガスケットも同様の課題が課せられている。上記課題に対し、ゴム単体からなるガスケットを使用した場合、取り扱い性が課題となる。
【００２０】
（３）構成その１
（３−１）従来技術では、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータそれぞれへの溝加工やガスケット一体成形が必要であり、組立性向上やコスト低減に課題がある。本発明では、一般的なＭＥＡ構造における電解質膜の露出面片面に補強体を用い、ＭＥＡを挟む片側プレートへガスケットを集約・一体化することで、組立性、コスト改善が可能となる（図１〜３参照）。
（３−２）アノードおよびカソードの電極およびＧＤＬの平面寸法が同等のＭＥＡ端部をシールするガスケット構造において、電解質膜露出部の片面側を樹脂等により補強されたＭＥＡ端部を未補強面でのみでシールすることを特徴とする燃料電池シール構造（図１〜３参照）。
（３−３）電解質膜の端部片面に補強部材を使用する構成とし、さらにガスケットをＭＥＡの片面側へ集約した。上記補強部材はガスケットのゴム硬度以上であれば補強機能が発現し、好ましくは、樹脂等の高さ寸法が管理されたフィルム、薄板が望ましい。この場合、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータ両方へのガスケット一体化が不要となり、コスト削減が可能となる（図１参照）。
（３−４）補強効果が必要な補強部材形状の上記（３−３）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）片面全面を補強することで、ＭＥＡ取扱性の向上が可能となる（図２参照）。
（３−５）上記（３−３）（３−４）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）端部より大きな補強部材を用いることで、ＭＥＡ取扱性のさらなる向上が可能となる（図３参照）。
【００２１】
（４）構成その２
（４−１）従来技術では、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータそれぞれへの溝加工やガスケット一体成形が必要であり、組立性向上やコスト低減に課題がある。本発明では、一般的なＭＥＡ構造における電解質膜の露出面両面に補強体を用い、ＭＥＡを挟む片側プレートへガスケットを集約・一体化することで、組立性、コスト改善が可能となる（図４〜６参照）。
（４−２）アノードおよびカソードの電極およびＧＤＬの平面寸法が同等のＭＥＡ端部をシールするガスケット構造において、電解質膜露出部の両面側を樹脂等により補強されたＭＥＡ端部を片側の補強面でのみでシールすることを特徴とする燃料電池シール構造（図４〜６参照）。
（４−３）電解質膜の端部両面に補強部材を使用する構成とし、さらにガスケットをＭＥＡの片面側へ集約した。上記補強部材はガスケットのゴム硬度以上であれば補強機能が発現し、好ましくは、樹脂等の高さ寸法が管理されたフィルム、薄板が望ましい。この場合、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータ両方へのガスケット一体化が不要となり、コスト削減が可能となる（図４参照）。
（４−４）補強効果が必要な補強部材形状の上記（４−３）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）両面全面を補強することでＭＥＡ取扱性の向上が可能となる（図５参照）。
（４−５）上記（４−３）（４−４）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）端部より大きな補強部材を用いることで、ＭＥＡ取扱性のさらなる向上が可能となる（図６参照）。
【００２２】
（５）構成その３
（５−１）アノード面／カソード面のガスケットを１枚のプレートに集約する構造である。
（５−２）アノード拡散電極（ＧＤＬ）とカソード拡散電極（ＧＤＬ）の表面積を同寸法として、飛び出している電解質膜の片面に樹脂フィルムを設置することで電解質膜の補強を行なう。
（５−３）アノード拡散電極（ＧＤＬ）とカソード拡散電極（ＧＤＬ）の表面積を同寸法として、飛び出している電解質膜の両面に樹脂フィルムを設置することで電解質膜の補強を行なう。
（５−４）工程としては、反応面部分を切り取った枠体形状の樹脂フィルムにガスケットを一体成形後、電解質膜をフィルム上に設置、あるいはフィルムで電解質膜を挟み込み、ヒートプレスにより樹脂フィルムとＭＥＡを一体化する。
【実施例】
【００２３】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００２４】
第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用シール構造の要部断面を示しており、当該シール構造は以下のように構成されている。
【００２５】
すなわち先ず基本構成として、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の電極層３，４を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられており、この膜電極複合体１が一対のガス拡散層（ＧＤＬ）５，６を介して一対のセパレータ７，８によって挟み込まれている。これら燃料電池用構成部品の寸法の大小関係としては、一対の電極層３，４および一対のガス拡散層５，６の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜２の平面寸法は電極層３，４およびガス拡散層５，６の平面寸法よりも大きく設定され、セパレータ７，８の平面寸法は電解質膜２の平面寸法よりも更に大きく設定されている。したがって電解質膜２の周縁部には、その両面に電極層３，４が設けられていない所定の幅寸法ｗ１よりなる露出部２ａが設けられている。また、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうちで一方のセパレータ７には、他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａと、その内周側（図では左側）で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられている。尚、一方の電極層３およびガス拡散層５の組み合わせならびに他方の電極層４およびガス拡散層６の組み合わせはそれぞれ、アノード側またはカソード側の拡散電極と称されることがあり、この用語を用いる場合には、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の拡散電極を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられ、この膜電極複合体１が一対のセパレータ７，８によって挟み込まれていると云うことになる。
【００２６】
上記したように膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７に他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａとその内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられているので、この両部位７ａ，７ｂにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設けられており、すなわち他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａに、一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端９ａが他方のセパレータ８に密接する第一ガスケット９が設けられるとともに、その内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂに、第一ガスケット９の内周側で一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端１０ａが電解質膜２の露出部２ａに密接する第二ガスケット１０が設けられている。
【００２７】
第一ガスケット９は一対のセパレータ７，８間の全間隔に亙って設けられているため、リップ端９ａが他方のセパレータ８に密接し、これにより他方のセパレータ８との間に十分なシール面圧が確保されている。これに対し第二ガスケット１０は、電解質膜２の露出部２ａの裏面側（図では下方）に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜２の露出部２ａがこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで当該シール構造ではこの空間に補強部材１１が設置され、これにより露出部２ａの逃げが防止され、シール面圧が確保されている。したがって補強部材１１は第二ガスケット１０のリップ端１０ａに対しこれと同一平面上に配置されている。
【００２８】
補強部材１１としては、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することができないため、補強専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に配置されている。
【００２９】
補強部材１１である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って補強することが可能とされている。また補強部材１１である樹脂フィルムの厚みは、電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間の間隔と同等に設定され、これにより露出部２ａの逃げがほぼ完全に防止されている。また補強部材１１である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８の何れか一方または双方に固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間に介装されるだけであっても良い。
【００３０】
上記構成のシール構造においては、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７にアノード側およびカソード側のガスケット９，１０が双方集約して一体成形されているため、反対側の他方のセパレータ８についてはガスケット９，１０を保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で本発明所期の目的どおり、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００３１】
また、第二ガスケット１０が密接する電解質膜２の露出部２ａをその裏面側から補強すべく電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に補強部材１１が設けられているため、第一ガスケット９のみならず第二ガスケット１０についても十分なシール面圧が確保されている。補強部材１１として例えば電極層４およびガス拡散層６を延長して利用する場合には比較的高価なこれらの部品を面積割り増しで用意しなければならないが、当該実施例では比較的安価で部品形状への製作も容易な樹脂フィルムが用いられているため、この点からしても部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００３２】
第二および第三実施例・・・
尚、上記第一実施例では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも小さく設定され（ｗ１＞ｗ２）、その内外周部には空間部１２，１３が形成されているが、この補強部材１１が電解質膜２の露出部２ａに固定される場合にはこの補強部材１１が電解質膜２の露出部２ａを含む膜電極複合体１を補強して部品単体時における取り扱い作業性を向上させることができるために、補強部材１１の幅寸法ｗ２は可及的に大きいことが好ましい。
【００３３】
この点からして、第二実施例として示す図２では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１と同等に設定され（ｗ１＝ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が向上されている。この場合、補強部材１１は電極層４およびガス拡散層６の端面部と接することになるため、補強部材１１の材質如何によってはこの補強部材１１の端部をガス拡散層６の端部に含浸一体化させることも考えられる。
【００３４】
また、第三実施例として示す図３では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも大きく設定され（ｗ１＜ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が一層向上されている。この場合も補強部材１１は電極層４およびガス拡散層６の端面部と接するため、補強部材１１の材質如何によってはこの補強部材１１の端部をガス拡散層６の端部に含浸一体化させることが考えられる。
【００３５】
第四実施例・・・
図４は、本発明の第四実施例に係る燃料電池用シール構造の要部断面を示しており、当該シール構造は以下のように構成されている。
【００３６】
すなわち先ず基本構成として、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の電極層３，４を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられており、この膜電極複合体１が一対のガス拡散層（ＧＤＬ）５，６を介して一対のセパレータ７，８によって挟み込まれている。これら燃料電池用構成部品の寸法の大小関係としては、一対の電極層３，４および一対のガス拡散層５，６の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜２の平面寸法は電極層３，４およびガス拡散層５，６の平面寸法よりも大きく設定され、セパレータ７，８の平面寸法は電解質膜２の平面寸法よりも更に大きく設定されている。したがって電解質膜２の周縁部には、その両面に電極層３，４が設けられていない所定の幅寸法ｗ１よりなる露出部２ａが設けられている。また、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうちで一方のセパレータ７には、他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａと、その内周側（図では左側）で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられている。尚、一方の電極層３およびガス拡散層５の組み合わせならびに他方の電極層４およびガス拡散層６の組み合わせはそれぞれ、アノード側またはカソード側の拡散電極と称されることがあり、この用語を用いる場合には、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の拡散電極を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられ、この膜電極複合体１が一対のセパレータ７，８によって挟み込まれていると云うことになる。
【００３７】
上記したように膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７に他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａとその内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられているので、この両部位７ａ，７ｂにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設けられており、すなわち他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａに、一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端９ａが他方のセパレータ８に密接する第一ガスケット９が設けられるとともに、その内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂに、第一ガスケット９の内周側で一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端１０ａが後記する保護部材１４に密接する第二ガスケット１０が設けられている。
【００３８】
第一ガスケット９は一対のセパレータ７，８間の全間隔に亙って設けられているため、リップ端９ａが他方のセパレータ８に密接し、これにより他方のセパレータ８との間に十分なシール面圧が確保されている。これに対し第二ガスケット１０は、電解質膜２の露出部２ａの裏面側（図では下方）に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜２の露出部２ａがこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで当該シール構造ではこの空間に補強部材１１が設置され、これにより露出部２ａの逃げが防止され、シール面圧が確保されている。したがって補強部材１１は第二ガスケット１０のリップ端１０ａに対しこれと同一平面上に配置されている。
【００３９】
補強部材１１としては、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することができないため、補強専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に配置されている。
【００４０】
補強部材１１である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って補強することが可能とされている。また補強部材１１である樹脂フィルムの厚みは、電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間の間隔と同等に設定され、これにより露出部２ａの逃げがほぼ完全に防止されている。また補強部材１１である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８の何れか一方または双方に固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間に介装されるだけであっても良い。
【００４１】
更にまた、当該実施例では、電解質膜２の露出部２ａの裏面側に補強部材１１が設置されるのに合わせて、電解質膜２の露出部２ａの表面側に保護部材１４が設置されており、この保護部材１４に対し第二ガスケット１０のリップ端１０ａが密接する。したがってこの保護部材１４によって電解質膜２を保護することができる。
【００４２】
保護部材１４としてはこれも、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を保護部材として利用することができないため、保護専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａの表面上に配置されている。
【００４３】
保護部材１４である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って保護することが可能とされている。また保護部材１４である樹脂フィルムの厚みは、補強部材１１と比較して少々小さく設定されている。また保護部材１４である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａに固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａの表面上に載せられるだけであっても良い。
【００４４】
上記構成のシール構造においては、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７にアノード側およびカソード側のガスケット９，１０が双方集約して一体成形されているため、反対側の他方のセパレータ８についてはガスケット９，１０を保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で本発明所期の目的どおり、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００４５】
また、第二ガスケット１０が密接する電解質膜２の露出部２ａをその裏面側から補強すべく電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に補強部材１１が設けられているため、第一ガスケット９のみならず第二ガスケット１０についても十分なシール面圧が確保されている。補強部材１１として例えば電極層４およびガス拡散層６を延長して利用する場合には比較的高価なこれらの部品を面積割り増しで用意しなければならないが、当該実施例では比較的安価で部品形状への製作も容易な樹脂フィルムが用いられているため、この点からしても部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００４６】
また、電解質膜２の露出部２ａの裏面側に補強部材１１が設置されるのに合わせて電解質膜２の露出部２ａの表面側に保護部材１４が設置されているため、この保護部材１４によって電解質膜２を保護することができ、すなわち電解質膜２にガスケット１０が直接密接することにより電解質膜２の表面が損傷するのを抑制することができる。
【００４７】
第五および第六実施例・・・
尚、上記第四実施例では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも小さく設定され（ｗ１＞ｗ２）、その内外周部には空間部１２，１３が形成されているが、この補強部材１１および保護部材１４が電解質膜２の露出部２ａに固定される場合にはこの補強部材１１および保護部材１４が電解質膜２の露出部２ａを含む膜電極複合体１を補強して部品単体時における取り扱い作業性を向上させることができるため、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２は可及的に大きいことが好ましい。
【００４８】
この点からして、第五実施例として示す図５では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１と同等に設定され（ｗ１＝ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が向上されている。この場合、補強部材１１および保護部材１４は電極層３，４およびガス拡散層５，６の端面部と接することになるため、補強部材１１および保護部材１４の材質如何によってはこの補強部材１１および保護部材１４の端部をガス拡散層５，６の端部に含浸一体化させることも考えられる。
【００４９】
また、第六実施例として示す図６では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも大きく設定され（ｗ１＜ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が一層向上されている。この場合も補強部材１１および保護部材１４は電極層３，４およびガス拡散層５，６の端面部と接することになるため、補強部材１１および保護部材１４の材質如何によってはこの補強部材１１および保護部材１４の端部をガス拡散層５，６の端部に含浸一体化させることが考えられる。
【００５０】
尚、補強部材１１と保護部材１４は、必ずしも幅寸法ｗ２や平面形状が同等である必要はない。
【００５１】
さらに、上記各実施例については、以下のようにその構成を変更することが考えられる。
【００５２】
第七実施例・・・
上記各実施例では、第一および第二ガスケット９，１０は何れも一方のセパレータ７に設けられるが、このガスケット９，１０同士は互いに別々に成形されている。これに対し両ガスケット９，１０を互いに一体に成形するようにしても良く、第七実施例として示す図７では、両ガスケット９，１０が連結部１５を介して互いに一体に成形されている。
【００５３】
第八実施例・・・
上記各実施例では、第一および第二ガスケット９，１０の一方のセパレータ７に対する固定手段は一体成形方式とされているが、この固定手段は特に限定されるものではなく、例えば第八実施例として示す図８では、両ガスケット９，１０が取付シート１６である薄手の樹脂フィルム上に一体成形されたうえで、このシート１６が接着などの手段によって一方のセパレータ７に固定されている。この場合、両ガスケット９，１０を互いに一体に成形するようにしても良いことは上記第七実施例と同様である。
【００５４】
また、上記各実施例では、ガスケット９，１０をリップ端９ａ，１０ａを有するものとして説明するとともに図面ではガスケット９，１０の断面形状を三角形として描いたが、本発明においてガスケット９，１０の構造ないし断面形状は何ら限定されない。ガスケット９，１０はリップ端９ａ，１０ａを備えないものであっても良く、三角形以外の断面形状のものであっても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１ 膜電極複合体
２ 電解質膜
２ａ 露出部
３，４ 電極層
５，６ ガス拡散層
７，８ セパレータ
９，１０ ガスケット
９ａ，１０ａ リップ端
１１ 補強部材
１２，１３ 空間部
１４ 保護部材
１５ 連結部
１６ 取付シート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から図９に示すように、電解質膜５２の両面に一対の電極層５３，５４を設けた膜電極複合体５１を有し、この膜電極複合体５１を一対のセパレータ５５，５６によって挟み込む構造の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。またこの燃料電池においては、燃料ガス等の流体をシールするため膜電極複合体５１の周縁部においてアノード側およびカソード側にそれぞれガスケット５７，５８が組み付けられており、この図９の例では、一対のセパレータ５５，５６の対応する位置にそれぞれ溝５５ａ，５６ａが設けられ、各溝５５ａ，５６ａにガスケット５７，５８が装着され、各ガスケット５７，５８が電解質膜５２に密接している。またこのほか、一対のセパレータ５５，５６の対応する位置にそれぞれガスケット５７，５８が一体成形され、各ガスケット５７，５８が電解質膜５２に密接するものもある。
【０００３】
ところで昨今、燃料電池の普及を図るべく、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が求められており、この点、上記従来技術では、一対のセパレータにそれぞれ溝加工やガスケット一体成形を施す必要があるため、未だ解決すべき課題が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４１４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みて、膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうちで片方のセパレータに溝加工やガスケット一体成形を施す必要がなく、もってこの点で部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化を実現することができる燃料電池のシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるシール構造は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、前記膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとを有し、前記一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、前記電解質膜の平面寸法は前記電極層より大きく設定され、前記セパレータの平面寸法は前記電解質膜より更に大きく設定されている燃料電池に備えられるシール構造であって、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、前記第一ガスケットの内周側において前記一方のセパレータに保持されるとともに前記電解質膜に密接する第二ガスケットとを有し、前記第二ガスケットが密接する前記電解質膜をその裏面側から補強すべく前記電解質膜と前記他方のセパレータとの間に前記電極層とは別体の補強部材が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の請求項２によるシール構造は、上記した請求項１記載のシール構造において、前記電解質膜の裏面側に設けられる前記補強部材と平面上重なる位置において前記電解質膜の表面側に保護部材が設けられ、この保護部材に対し前記第二ガスケットが密接することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項３によるシール構造は、上記した請求項１または２記載のシール構造において、前記補強部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項４によるシール構造は、上記した請求項２または３記載のシール構造において、前記保護部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする。
【００１０】
上記構成を備える本発明のシール構造においては、先ずは基本構成として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、この膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとが設けられ、一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜の平面寸法は電極層より大きく設定され、セパレータの平面寸法は電解質膜より更に大きく設定されている。したがって膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうちで一方のセパレータには、他方のセパレータと向かい合う部位とその内周側で電解質膜と向かい合う部位とが双方備えられるので、この両部位にアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットを双方集約して設定する。ガスケットの内訳としては、一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、第一ガスケットの内周側において一方のセパレータに保持されるとともに電解質膜に密接する第二ガスケットとが設けられることになる。
【００１１】
尚、この構造によると、第一ガスケットは一対のセパレータ間の全間隔に亙って設けられるので他方のセパレータとの間にシール面圧を確保することができるが、第二ガスケットについては電解質膜の裏面側に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜がこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで本発明では、併せてこの空間に補強部材を設置し、逃げを防止し、シール面圧を確保するようにした。
【００１２】
補強部材としては、上記基本構成における各部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することはできないので、補強専用の部品を用意し、これを電解質膜と他方のセパレータとの間に配置する。補強専用の部品としては、その設置目的からして第二ガスケットよりも硬度が大きなものであればその内容を問わないが、例えば樹脂フィルムとし、すなわち電解質膜および他方のセパレータ間の間隔と同等の厚みを備える樹脂フィルムを専用部品として利用する。
【００１３】
また、上記したように電解質膜の裏面側に補強部材を設置するのに関連して、併せて電解質膜の表面側に保護部材を設置することが考えられ、このように保護部材を設置すると第二ガスケットが電解質膜ではなくこの保護部材に密接するため、密接により電解質膜の表面が損傷するのを抑制することが可能となる。保護部材としては例えば樹脂フィルムとし、すなわち所定の厚みを備える樹脂フィルムを専用部品として利用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００１５】
すなわち、本発明においては上記したように、膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータのうち一方のセパレータにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設定されるので、他方のセパレータにはガスケットを保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化を実現することができる。
【００１６】
また、第二ガスケットが密接する電解質膜をその裏面側から補強すべく電解質膜と他方のセパレータとの間に補強部材を設けるようにしたため、アノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットともに十分なシール面圧を確保することができる。補強部材として例えば一方の電極層を延長して利用する場合には比較的高価な部品を割り増しで用意する必要があって部品コストが大幅に増大するところ、樹脂フィルムなど比較的安価な部品を用いることによりこの種の弊害が生じるのを防止することもできる。
【００１７】
また、電解質膜の裏面側に補強部材を設置するのに関連して、併せて電解質膜の表面側に保護部材を設置することにより、電解質膜を保護することができ、すなわち電解質膜にガスケットが密接して電解質膜の表面が損傷するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図２】本発明の第二実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図３】本発明の第三実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図４】本発明の第四実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図５】本発明の第五実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図６】本発明の第六実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図７】本発明の第七実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図８】本発明の第八実施例に係る燃料電池シール構造の要部断面図
【図９】従来例に係る燃料電池シール構造の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）本発明は、燃料電池のシール構造に係り、また一般ガスケットによるシール構造に関する。
（２）課題
これからの燃料電池の普及にはスタックの低コスト化が必要であり、スタックに使用されるガスケットも同様の課題が課せられている。上記課題に対し、ゴム単体からなるガスケットを使用した場合、取り扱い性が課題となる。
【００２０】
（３）構成その１
（３−１）従来技術では、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータそれぞれへの溝加工やガスケット一体成形が必要であり、組立性向上やコスト低減に課題がある。本発明では、一般的なＭＥＡ構造における電解質膜の露出面片面に補強体を用い、ＭＥＡを挟む片側プレートへガスケットを集約・一体化することで、組立性、コスト改善が可能となる（図１〜３参照）。
（３−２）アノードおよびカソードの電極およびＧＤＬの平面寸法が同等のＭＥＡ端部をシールするガスケット構造において、電解質膜露出部の片面側を樹脂等により補強されたＭＥＡ端部を未補強面でのみでシールすることを特徴とする燃料電池シール構造（図１〜３参照）。
（３−３）電解質膜の端部片面に補強部材を使用する構成とし、さらにガスケットをＭＥＡの片面側へ集約した。上記補強部材はガスケットのゴム硬度以上であれば補強機能が発現し、好ましくは、樹脂等の高さ寸法が管理されたフィルム、薄板が望ましい。この場合、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータ両方へのガスケット一体化が不要となり、コスト削減が可能となる（図１参照）。
（３−４）補強効果が必要な補強部材形状の上記（３−３）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）片面全面を補強することで、ＭＥＡ取扱性の向上が可能となる（図２参照）。
（３−５）上記（３−３）（３−４）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）端部より大きな補強部材を用いることで、ＭＥＡ取扱性のさらなる向上が可能となる（図３参照）。
【００２１】
（４）構成その２
（４−１）従来技術では、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータそれぞれへの溝加工やガスケット一体成形が必要であり、組立性向上やコスト低減に課題がある。本発明では、一般的なＭＥＡ構造における電解質膜の露出面両面に補強体を用い、ＭＥＡを挟む片側プレートへガスケットを集約・一体化することで、組立性、コスト改善が可能となる（図４〜６参照）。
（４−２）アノードおよびカソードの電極およびＧＤＬの平面寸法が同等のＭＥＡ端部をシールするガスケット構造において、電解質膜露出部の両面側を樹脂等により補強されたＭＥＡ端部を片側の補強面でのみでシールすることを特徴とする燃料電池シール構造（図４〜６参照）。
（４−３）電解質膜の端部両面に補強部材を使用する構成とし、さらにガスケットをＭＥＡの片面側へ集約した。上記補強部材はガスケットのゴム硬度以上であれば補強機能が発現し、好ましくは、樹脂等の高さ寸法が管理されたフィルム、薄板が望ましい。この場合、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータ両方へのガスケット一体化が不要となり、コスト削減が可能となる（図４参照）。
（４−４）補強効果が必要な補強部材形状の上記（４−３）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）両面全面を補強することでＭＥＡ取扱性の向上が可能となる（図５参照）。
（４−５）上記（４−３）（４−４）に対し、ＭＥＡ（電解質膜）端部より大きな補強部材を用いることで、ＭＥＡ取扱性のさらなる向上が可能となる（図６参照）。
【００２２】
（５）構成その３
（５−１）アノード面／カソード面のガスケットを１枚のプレートに集約する構造である。
（５−２）アノード拡散電極（ＧＤＬ）とカソード拡散電極（ＧＤＬ）の表面積を同寸法として、飛び出している電解質膜の片面に樹脂フィルムを設置することで電解質膜の補強を行なう。
（５−３）アノード拡散電極（ＧＤＬ）とカソード拡散電極（ＧＤＬ）の表面積を同寸法として、飛び出している電解質膜の両面に樹脂フィルムを設置することで電解質膜の補強を行なう。
（５−４）工程としては、反応面部分を切り取った枠体形状の樹脂フィルムにガスケットを一体成形後、電解質膜をフィルム上に設置、あるいはフィルムで電解質膜を挟み込み、ヒートプレスにより樹脂フィルムとＭＥＡを一体化する。
【実施例】
【００２３】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００２４】
第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用シール構造の要部断面を示しており、当該シール構造は以下のように構成されている。
【００２５】
すなわち先ず基本構成として、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の電極層３，４を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられており、この膜電極複合体１が一対のガス拡散層（ＧＤＬ）５，６を介して一対のセパレータ７，８によって挟み込まれている。これら燃料電池用構成部品の寸法の大小関係としては、一対の電極層３，４および一対のガス拡散層５，６の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜２の平面寸法は電極層３，４およびガス拡散層５，６の平面寸法よりも大きく設定され、セパレータ７，８の平面寸法は電解質膜２の平面寸法よりも更に大きく設定されている。したがって電解質膜２の周縁部には、その両面に電極層３，４が設けられていない所定の幅寸法ｗ１よりなる露出部２ａが設けられている。また、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうちで一方のセパレータ７には、他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａと、その内周側（図では左側）で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられている。尚、一方の電極層３およびガス拡散層５の組み合わせならびに他方の電極層４およびガス拡散層６の組み合わせはそれぞれ、アノード側またはカソード側の拡散電極と称されることがあり、この用語を用いる場合には、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の拡散電極を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられ、この膜電極複合体１が一対のセパレータ７，８によって挟み込まれていると云うことになる。
【００２６】
上記したように膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７に他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａとその内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられているので、この両部位７ａ，７ｂにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設けられており、すなわち他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａに、一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端９ａが他方のセパレータ８に密接する第一ガスケット９が設けられるとともに、その内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂに、第一ガスケット９の内周側で一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端１０ａが電解質膜２の露出部２ａに密接する第二ガスケット１０が設けられている。
【００２７】
第一ガスケット９は一対のセパレータ７，８間の全間隔に亙って設けられているため、リップ端９ａが他方のセパレータ８に密接し、これにより他方のセパレータ８との間に十分なシール面圧が確保されている。これに対し第二ガスケット１０は、電解質膜２の露出部２ａの裏面側（図では下方）に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜２の露出部２ａがこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで当該シール構造ではこの空間に補強部材１１が設置され、これにより露出部２ａの逃げが防止され、シール面圧が確保されている。したがって補強部材１１は第二ガスケット１０のリップ端１０ａに対しこれと同一平面上に配置されている。
【００２８】
補強部材１１としては、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することができないため、補強専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に配置されている。
【００２９】
補強部材１１である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って補強することが可能とされている。また補強部材１１である樹脂フィルムの厚みは、電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間の間隔と同等に設定され、これにより露出部２ａの逃げがほぼ完全に防止されている。また補強部材１１である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８の何れか一方または双方に固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間に介装されるだけであっても良い。
【００３０】
上記構成のシール構造においては、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７にアノード側およびカソード側のガスケット９，１０が双方集約して一体成形されているため、反対側の他方のセパレータ８についてはガスケット９，１０を保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で本発明所期の目的どおり、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００３１】
また、第二ガスケット１０が密接する電解質膜２の露出部２ａをその裏面側から補強すべく電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に補強部材１１が設けられているため、第一ガスケット９のみならず第二ガスケット１０についても十分なシール面圧が確保されている。補強部材１１として例えば電極層４およびガス拡散層６を延長して利用する場合には比較的高価なこれらの部品を面積割り増しで用意しなければならないが、当該実施例では比較的安価で部品形状への製作も容易な樹脂フィルムが用いられているため、この点からしても部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００３２】
第二および第三実施例・・・
尚、上記第一実施例では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも小さく設定され（ｗ１＞ｗ２）、その内外周部には空間部１２，１３が形成されているが、この補強部材１１が電解質膜２の露出部２ａに固定される場合にはこの補強部材１１が電解質膜２の露出部２ａを含む膜電極複合体１を補強して部品単体時における取り扱い作業性を向上させることができるために、補強部材１１の幅寸法ｗ２は可及的に大きいことが好ましい。
【００３３】
この点からして、第二実施例として示す図２では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１と同等に設定され（ｗ１＝ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が向上されている。この場合、補強部材１１は電極層４およびガス拡散層６の端面部と接することになるため、補強部材１１の材質如何によってはこの補強部材１１の端部をガス拡散層６の端部に含浸一体化させることも考えられる。
【００３４】
また、第三実施例として示す図３では、補強部材１１の幅寸法ｗ２が電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも大きく設定され（ｗ１＜ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が一層向上されている。この場合も補強部材１１は電極層４およびガス拡散層６の端面部と接するため、補強部材１１の材質如何によってはこの補強部材１１の端部をガス拡散層６の端部に含浸一体化させることが考えられる。
【００３５】
第四実施例・・・
図４は、本発明の第四実施例に係る燃料電池用シール構造の要部断面を示しており、当該シール構造は以下のように構成されている。
【００３６】
すなわち先ず基本構成として、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の電極層３，４を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられており、この膜電極複合体１が一対のガス拡散層（ＧＤＬ）５，６を介して一対のセパレータ７，８によって挟み込まれている。これら燃料電池用構成部品の寸法の大小関係としては、一対の電極層３，４および一対のガス拡散層５，６の平面寸法は互いに同等に設定され、電解質膜２の平面寸法は電極層３，４およびガス拡散層５，６の平面寸法よりも大きく設定され、セパレータ７，８の平面寸法は電解質膜２の平面寸法よりも更に大きく設定されている。したがって電解質膜２の周縁部には、その両面に電極層３，４が設けられていない所定の幅寸法ｗ１よりなる露出部２ａが設けられている。また、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうちで一方のセパレータ７には、他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａと、その内周側（図では左側）で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられている。尚、一方の電極層３およびガス拡散層５の組み合わせならびに他方の電極層４およびガス拡散層６の組み合わせはそれぞれ、アノード側またはカソード側の拡散電極と称されることがあり、この用語を用いる場合には、電解質膜２の厚み方向両面に一対（アノード側およびカソード側）の拡散電極を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）１が設けられ、この膜電極複合体１が一対のセパレータ７，８によって挟み込まれていると云うことになる。
【００３７】
上記したように膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７に他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａとその内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂとが双方設けられているので、この両部位７ａ，７ｂにアノード側ガスケットおよびカソード側ガスケットが双方集約して設けられており、すなわち他方のセパレータ８と向かい合う部位７ａに、一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端９ａが他方のセパレータ８に密接する第一ガスケット９が設けられるとともに、その内周側で電解質膜２の露出部２ａと向かい合う部位７ｂに、第一ガスケット９の内周側で一方のセパレータ７に一体成形されるとともにリップ端１０ａが後記する保護部材１４に密接する第二ガスケット１０が設けられている。
【００３８】
第一ガスケット９は一対のセパレータ７，８間の全間隔に亙って設けられているため、リップ端９ａが他方のセパレータ８に密接し、これにより他方のセパレータ８との間に十分なシール面圧が確保されている。これに対し第二ガスケット１０は、電解質膜２の露出部２ａの裏面側（図では下方）に空間が残されるので軟質材よりなる電解質膜２の露出部２ａがこの空間のほうへ逃げてしまい、よってシール面圧を確保することができない。そこで当該シール構造ではこの空間に補強部材１１が設置され、これにより露出部２ａの逃げが防止され、シール面圧が確保されている。したがって補強部材１１は第二ガスケット１０のリップ端１０ａに対しこれと同一平面上に配置されている。
【００３９】
補強部材１１としては、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を補強部材として利用することができないため、補強専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に配置されている。
【００４０】
補強部材１１である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って補強することが可能とされている。また補強部材１１である樹脂フィルムの厚みは、電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間の間隔と同等に設定され、これにより露出部２ａの逃げがほぼ完全に防止されている。また補強部材１１である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８の何れか一方または双方に固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａおよび他方のセパレータ８間に介装されるだけであっても良い。
【００４１】
更にまた、当該実施例では、電解質膜２の露出部２ａの裏面側に補強部材１１が設置されるのに合わせて、電解質膜２の露出部２ａの表面側に保護部材１４が設置されており、この保護部材１４に対し第二ガスケット１０のリップ端１０ａが密接する。したがってこの保護部材１４によって電解質膜２を保護することができる。
【００４２】
保護部材１４としてはこれも、上記基本構成における各構成部品の寸法大小関係からしてこれらの部品を保護部材として利用することができないため、保護専用の部品すなわち具体的には樹脂フィルムが用意され、この樹脂フィルムが電解質膜２の露出部２ａの表面上に配置されている。
【００４３】
保護部材１４である樹脂フィルムは、各構成部品が平面長方形であってガスケット１０も平面長方形の枠状であるのに合わせてガスケット１０と同様に平面長方形の枠状に成形されており、これにより電解質膜２の露出部２ａを全周に亙って保護することが可能とされている。また保護部材１４である樹脂フィルムの厚みは、補強部材１１と比較して少々小さく設定されている。また保護部材１４である樹脂フィルムは、ヒートプレスまたは接着等の固定手段によって電解質膜２の露出部２ａに固定されているが、固定されずに電解質膜２の露出部２ａの表面上に載せられるだけであっても良い。
【００４４】
上記構成のシール構造においては、膜電極複合体１を挟み込む一対のセパレータ７，８のうち一方のセパレータ７にアノード側およびカソード側のガスケット９，１０が双方集約して一体成形されているため、反対側の他方のセパレータ８についてはガスケット９，１０を保持するための溝加工やガスケット一体成形を何ら施す必要がない。したがってこの点で本発明所期の目的どおり、部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００４５】
また、第二ガスケット１０が密接する電解質膜２の露出部２ａをその裏面側から補強すべく電解質膜２の露出部２ａと他方のセパレータ８との間に補強部材１１が設けられているため、第一ガスケット９のみならず第二ガスケット１０についても十分なシール面圧が確保されている。補強部材１１として例えば電極層４およびガス拡散層６を延長して利用する場合には比較的高価なこれらの部品を面積割り増しで用意しなければならないが、当該実施例では比較的安価で部品形状への製作も容易な樹脂フィルムが用いられているため、この点からしても部品形状の簡素化、製造および組み立ての容易化、ならびに低コスト化が実現されている。
【００４６】
また、電解質膜２の露出部２ａの裏面側に補強部材１１が設置されるのに合わせて電解質膜２の露出部２ａの表面側に保護部材１４が設置されているため、この保護部材１４によって電解質膜２を保護することができ、すなわち電解質膜２にガスケット１０が直接密接することにより電解質膜２の表面が損傷するのを抑制することができる。
【００４７】
第五および第六実施例・・・
尚、上記第四実施例では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも小さく設定され（ｗ１＞ｗ２）、その内外周部には空間部１２，１３が形成されているが、この補強部材１１および保護部材１４が電解質膜２の露出部２ａに固定される場合にはこの補強部材１１および保護部材１４が電解質膜２の露出部２ａを含む膜電極複合体１を補強して部品単体時における取り扱い作業性を向上させることができるため、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２は可及的に大きいことが好ましい。
【００４８】
この点からして、第五実施例として示す図５では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１と同等に設定され（ｗ１＝ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が向上されている。この場合、補強部材１１および保護部材１４は電極層３，４およびガス拡散層５，６の端面部と接することになるため、補強部材１１および保護部材１４の材質如何によってはこの補強部材１１および保護部材１４の端部をガス拡散層５，６の端部に含浸一体化させることも考えられる。
【００４９】
また、第六実施例として示す図６では、補強部材１１および保護部材１４の幅寸法ｗ２がそれぞれ電解質膜２の露出部２ａの幅寸法ｗ１よりも大きく設定され（ｗ１＜ｗ２）、これにより膜電極複合体１についての取り扱い作業性が一層向上されている。この場合も補強部材１１および保護部材１４は電極層３，４およびガス拡散層５，６の端面部と接することになるため、補強部材１１および保護部材１４の材質如何によってはこの補強部材１１および保護部材１４の端部をガス拡散層５，６の端部に含浸一体化させることが考えられる。
【００５０】
尚、補強部材１１と保護部材１４は、必ずしも幅寸法ｗ２や平面形状が同等である必要はない。
【００５１】
さらに、上記各実施例については、以下のようにその構成を変更することが考えられる。
【００５２】
第七実施例・・・
上記各実施例では、第一および第二ガスケット９，１０は何れも一方のセパレータ７に設けられるが、このガスケット９，１０同士は互いに別々に成形されている。これに対し両ガスケット９，１０を互いに一体に成形するようにしても良く、第七実施例として示す図７では、両ガスケット９，１０が連結部１５を介して互いに一体に成形されている。
【００５３】
第八実施例・・・
上記各実施例では、第一および第二ガスケット９，１０の一方のセパレータ７に対する固定手段は一体成形方式とされているが、この固定手段は特に限定されるものではなく、例えば第八実施例として示す図８では、両ガスケット９，１０が取付シート１６である薄手の樹脂フィルム上に一体成形されたうえで、このシート１６が接着などの手段によって一方のセパレータ７に固定されている。この場合、両ガスケット９，１０を互いに一体に成形するようにしても良いことは上記第七実施例と同様である。
【００５４】
また、上記各実施例では、ガスケット９，１０をリップ端９ａ，１０ａを有するものとして説明するとともに図面ではガスケット９，１０の断面形状を三角形として描いたが、本発明においてガスケット９，１０の構造ないし断面形状は何ら限定されない。ガスケット９，１０はリップ端９ａ，１０ａを備えないものであっても良く、三角形以外の断面形状のものであっても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１ 膜電極複合体
２ 電解質膜
２ａ 露出部
３，４ 電極層
５，６ ガス拡散層
７，８ セパレータ
９，１０ ガスケット
９ａ，１０ａ リップ端
１１ 補強部材
１２，１３ 空間部
１４ 保護部材
１５ 連結部
１６ 取付シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、前記膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとを有し、前記一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、前記電解質膜の平面寸法は前記電極層より大きく設定され、前記セパレータの平面寸法は前記電解質膜より更に大きく設定されている燃料電池に備えられるシール構造であって、
前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、前記第一ガスケットの内周側において前記一方のセパレータに保持されるとともに前記電解質膜に密接する第二ガスケットとを有し、
前記第二ガスケットが密接する前記電解質膜をその裏面側から補強すべく前記電解質膜と前記他方のセパレータとの間に前記電極層とは別体の補強部材が設けられていることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項２】
請求項１記載のシール構造において、
前記電解質膜の裏面側に設けられる前記補強部材と平面上重なる位置において前記電解質膜の表面側に保護部材が設けられ、この保護部材に対し前記第二ガスケットが密接することを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項３】
請求項１または２記載のシール構造において、
前記補強部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項４】
請求項２または３記載のシール構造において、
前記保護部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項１】
電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体と、前記膜電極複合体を挟み込む一対のセパレータとを有し、前記一対の電極層の平面寸法は互いに同等に設定され、前記電解質膜の平面寸法は前記電極層より大きく設定され、前記セパレータの平面寸法は前記電解質膜より更に大きく設定されている燃料電池に備えられるシール構造であって、
前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるとともに他方のセパレータに密接する第一ガスケットと、前記第一ガスケットの内周側において前記一方のセパレータに保持されるとともに前記電解質膜に密接する第二ガスケットとを有し、
前記第二ガスケットが密接する前記電解質膜をその裏面側から補強すべく前記電解質膜と前記他方のセパレータとの間に前記電極層とは別体の補強部材が設けられていることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項２】
請求項１記載のシール構造において、
前記電解質膜の裏面側に設けられる前記補強部材と平面上重なる位置において前記電解質膜の表面側に保護部材が設けられ、この保護部材に対し前記第二ガスケットが密接することを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項３】
請求項１または２記載のシール構造において、
前記補強部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項４】
請求項２または３記載のシール構造において、
前記保護部材は、樹脂フィルムよりなることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１２３９２２（Ｐ２０１２−１２３９２２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１２４８（Ｐ２０１０−２７１２４８）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００４３８５）ＮＯＫ株式会社 (1,527)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００４３８５）ＮＯＫ株式会社 (1,527)
【Ｆターム（参考）】
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