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WO2010050339A1 - 燃料電池の密封構造 - Google Patents

燃料電池の密封構造 Download PDF

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WO2010050339A1
WO2010050339A1 PCT/JP2009/067368 JP2009067368W WO2010050339A1 WO 2010050339 A1 WO2010050339 A1 WO 2010050339A1 JP 2009067368 W JP2009067368 W JP 2009067368W WO 2010050339 A1 WO2010050339 A1 WO 2010050339A1
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WO
WIPO (PCT)
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gdl
mea
fuel cell
gdls
gasket
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/067368
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
稔大 島添
蔵野　慶宏
茂 渡部
Original Assignee
Nok株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by Nok株式会社 filed Critical Nok株式会社
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Priority to CN200980143151.XA priority patent/CN102197527B/zh
Priority to US13/124,032 priority patent/US8628894B2/en
Priority to EP09823452.9A priority patent/EP2341573B1/en
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a sealing structure in a fuel cell, in which an MEA is sandwiched by a gasket integrally provided on a separator disposed on both sides thereof via GDL.
  • the fuel cell has an MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane-electrode assembly) provided with a pair of electrode layers on both sides of a reaction film and porous first and second GDLs (Gas Diffusion) stacked on both sides in the thickness direction thereof.
  • Layer A gas diffusion layer and a separator made of carbon or metal are alternately arranged and stacked, and it is known that a fuel gas or an oxidizing gas is allowed to flow to the MEA through the first and second GDLs.
  • a fuel cell generates electric power by an electrochemical reaction that is the reverse reaction of water electrolysis, that is, a reaction of producing water from hydrogen and oxygen.
  • the gasket is made of a synthetic resin material having rubber or rubber-like elasticity, and it is known that the gasket is integrally provided on the surface of the separator and closely attached to the surface of the MEA.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a sealing structure of a fuel cell according to the prior art in a separated state
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a stacked state.
  • the fuel cell shown in FIG. 7 has first GDLs 102 and 103, second GDLs 104 and 105, and separators 106 and 107 on both sides in the thickness direction of the MEA 101 provided with a pair of electrode layers on both sides of a reaction film (ion exchange film). Rubber laminated in order and provided integrally with the MEA 101 or reinforcing frames integral with the MEA 101 outside the first GDLs 102 and 103 and the second GDLs 104 and 105 respectively on the separators 106 and 107 positioned on both sides in the thickness direction Gaskets 108 and 109 made of a material or a synthetic resin material having rubber-like elasticity are sandwiched (see, for example, Patent Document 1 below).
  • the present invention has been made in view of the above-described points, and the technical problem thereof is in a sealing structure in which MEA is sandwiched by a gasket integrally provided on a separator disposed on both sides thereof via GDL. , MEA deformation and first GDL shift effectively.
  • the first GDL, the second GDL, and the separator are sequentially stacked on both sides in the thickness direction of the MEA, Rubber or rubber-like elastic resin material integrally provided with the MEA or a reinforcing frame integral with the MEA outside the first GDL and the second GDL respectively on separators positioned on both sides in the thickness direction
  • the end portion of the first GDL is formed to have a size protruding from the outer periphery of the second GDL, and the end portion of the first GDL can be positioned on the gasket.
  • a support step portion that can be supported at substantially the same height as the second GDL support height is formed.
  • At least one gasket of the MEA or the gaskets on both sides in the thickness direction of the reinforcing frame is joined to the separator. It has a flat base and a seal ridge rising from the base, and a support shoulder is formed by the base and the skirt of the seal ridge.
  • At least one of the gaskets on both sides in the thickness direction of the MEA or the reinforcing frame has a flat sealing surface.
  • the supporting step portion is formed in a step shape deeper than the sealing surface by the thickness of the first GDL.
  • the end of the first GDL protruding from the end of the second GDL is positioned by the support step formed in the gasket, and Since the second GDL is supported at the same height on the support step, no space is formed between the gasket and the first GDL and the second GDL to cause deformation of the MEA. There is no possibility of GDL misalignment.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a sealing structure of a fuel cell according to the prior art in a separated state.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a sealing structure of a fuel cell according to the prior art in a stacked state.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a first embodiment of a fuel cell sealing structure according to the present invention in a separated state
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a stacked state.
  • reference numeral 1 denotes an MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane-electrode complex) having a structure in which a pair of electrode layers (not shown) is provided on both sides of a reaction film
  • reference numerals 2 and 3 denote the MEA 1.
  • the first GDL, reference numerals 4 and 5, made of metal porous body or carbon porous body laminated on both sides in the thickness direction of the metal porous body or carbon porous body laminated on the outside of the first GDL 2 and 3 when viewed from the MEA 1
  • the 2nd GDL which consists of a body, and the referential numerals 6 and 7 are separators which consist of metal or carbon laminated on the further outside of 2nd GDL4 and 5 seeing from MEA1.
  • the first GDLs 2 and 3 have the same shape and size
  • the second GDLs 4 and 5 have the same shape and size
  • the separators 6 and 7 have the same shape and size.
  • Reference numerals 8 and 9 are selected from rubber materials or synthetic resin materials having rubbery elasticity, preferably ethylene propylene rubber (EPDM), silicone rubber (VMQ), fluoro rubber (FKM), perfluoro rubber (FFKM), etc.
  • a gasket made of an elastic material is integrally bonded to the separators 6 and 7, respectively.
  • the gasket 8,9 is a mutually same shape and size, are bonded to the separators 6 and 7, the height h is the second GDL4,5 thickness t 2 is substantially the same flat base 81 and 91, this From the width direction middle position of the bases 81 and 91, it has seal ridges 82 and 92 of a mountain-shaped cross section which were raised more than thickness t 1 of the first GDLs 2 and 3.
  • the first GDLs 2 and 3 are formed to project from the outer periphery of the second GDLs 4 and 5, and the MEA 1 is formed to project from the outer peripheries of the first GDLs 2 and 3.
  • the end 1a of the MEA 1 protruding from the outer periphery of the first GDLs 2 and 3 is, as shown in FIG. 2, a seal ridge 82 of the gasket 8 integrally provided on the lower separator 6 in the figure, and The fuel cell (hydrogen) and the oxidizing gas supplied to the MEA 1 and the electrochemical reaction thereof are interposed between the seal protrusion 92 of the gasket 9 integrally provided on the upper separator 7 and this. Water, surplus gas, refrigerant and the like generated and discharged are prevented from leaking to the outside.
  • Support steps 8 a and 9 a are formed in the gaskets 8 and 9 by the upper surfaces of the bases 81 and 91 facing the inner peripheral side and the skirts of the seal protrusions 82 and 92.
  • the skirt portions on the inner peripheral side of the sealing ridges 82 and 92 extend in a planar shape substantially corresponding to the outer peripheral shapes of the first GDLs 2 and 3 and, as described above, the heights of the bases 81 and 91 Since h is substantially the same as the thickness t2 of the second GDLs 4 and 5, the support stepped portions 8a and 9a position the end portions 2a and 3a of the first GDLs 2 and 3 protruding from the outer periphery of the second GDLs 4 and 5 It is possible and supportable at the same height h as the support height of the first GDLs 2 and 3 by the second GDLs 4 and 5.
  • the inner peripheral edges of the bases 81 and 91 in the gaskets 8 and 9 extend in a planar shape corresponding to the outer peripheral shape of the second GDLs 4 and 5, and the second GDLs 4 and 5 extend the inner peripherals of the bases 81 and 91. It is positioned by being loosely fitted to the
  • the second GDLs 4 and 5 are positioned on the inner circumferences of the bases 81 and 91 of the gaskets 8 and 9, and the first GDLs 2 and 3 stacked on the second GDLs 4 and 5 are ends protruding from the second GDLs 4 and 5
  • the portions 2a and 3a are positioned by the support stepped portions 8a and 9a of the gaskets 8 and 9 and supported at substantially the same height as the support heights of the first GDLs 2 and 3 by the second GDLs 4 and 5. For this reason, the shift
  • the seal protrusions 82 and 92 of the gaskets 8 and 9 have their skirts (support steps 8a and 9a) at the end portions 2a and 3a of the first GDLs 2 and 3 due to expansion deformation in the lateral direction accompanying compression.
  • a space is formed between the seal ridges 82, 92 of the gaskets 8, 9 and the first GDLs 2, 3 and the second GDLs 4, 5 to allow deformation of the MEA 1
  • the end portions 2a, 3a of the first GDLs 2, 3 fitted in the support steps 8a, 9a of the gaskets 8, 9 make the MEA 1 in the thickness direction on the inner peripheral side of the seal ridges 82, 92 Hold firmly from both sides. For this reason, deformation or damage of the MEA 1 is effectively prevented.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a second embodiment of the sealing structure of a fuel cell according to the present invention in a separated state
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing in a stacked state.
  • the gasket 9 integrally provided on the upper separator 7 in the figure has a flat seal shape having a flat seal surface 93. This is because the support step 9a is formed in a stepped shape from the sealing surface 93.
  • the configuration of the other parts is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • the gasket 9, be formed to a height corresponding to the sum of the thickness of the first GDL 3 t 1 and the thickness t 2 of the second GDL5, flat seals close contact with the end portion 1a of the MEA1
  • the surface 93 is wider than the close contact width (close contact width to the MEA 1) of the seal projection 82 of the gasket 8, and the support step 9a substantially corresponds to the outer peripheral shape of the first GDL 3 on the inner peripheral side of the seal surface 93.
  • the bottom surface height h is substantially the same as the thickness t2 of the second GDL 5 and has a depth d corresponding to the thickness t 1 of the first GDL 3 from the sealing surface 93. It is done.
  • the support stepped portion 9a can position the end 3a of the first GDL 3 projecting from the outer periphery of the second GDL 5 by fitting, and the height substantially the same as the support height of the first GDL 3 by the second GDL 5 It is possible to support h.
  • FIG. 3 and FIG. 4 a plurality of parts shown in FIG. 3 and FIG. 4 are stacked as one unit (fuel cell) and assembled by tightening with a bolt and a nut (not shown).
  • the seal ridges 82 of the gasket 8 and the flat seal surfaces 93 of the gasket 9 are in close contact with both sides of the end 1 a of the MEA 1.
  • the second GDLs 4 and 5 are positioned on the inner circumferences of the gaskets 8 and 9, and the first GDLs 2 and 3 stacked on the second GDLs 4 and 5 protrude from the second GDLs 4 and 5
  • the end portions 2a and 3a are positioned by the support steps 8a and 9a of the gaskets 8 and 9 and supported at substantially the same height as the support heights of the first GDLs 2 and 3 by the second GDLs 4 and 5. For this reason, the shift
  • the support steps 8a and 9a of the gaskets 8 and 9 are almost closely fitted to the end portions 2a and 3a of the first GDLs 2 and 3, the gaskets 8 and 9 and the first GDLs 2 and 3 and the second GDL 4 There is no space to allow deformation of the MEA 1 between them and the end portions 2a of the first GDLs 2, 3 fitted to the support steps 8a, 9a of the gaskets 8, 9.
  • the MEA 1 is firmly pressed from both sides in the thickness direction by 3a. For this reason, deformation or damage of the MEA 1 is effectively prevented.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a third embodiment of the sealing structure of a fuel cell according to the present invention in a separated state
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing in a stacked state.
  • one gasket 8 corresponds to the sum of the thickness of the first GDL2 on the outer peripheral side t 1 and the thickness t 2 of the second GDL4 a flat seal surface 83 formed in the height, from the inner peripheral side position, the sealing protrusion 82 which thickness is higher elevations than t 1 sectional chevron first GDL2, further an inner in the peripheral side has a flat pressing surface 84 formed to the height equivalent to the sealing surface 83, the other gasket 9, the thickness t 1 of the first GDL3 on the inner peripheral side and the thickness t 2 of the second GDL5 From the flat seal surface 93 facing the seal projection 82 and the pressing surface 84 of the gasket 8 and the outer peripheral side of the gasket 8 and having a height higher than the thickness t 1 of the first GDL 3 Sealing ridge 92 having a cross-sectional chevron shape and gasket 8 on the outer peripheral side And the outer peripheral portion and the opposite sealing surface 83 is to have a sealing
  • the seal surface 83 of the gasket 8 is wider than the close contact width (close contact width to the MEA 1) of the seal projection 92 of the gasket 9 opposed thereto, and the support step 8a has a step shape from the inner peripheral side of the pressing surface 84. And is formed in a planar shape substantially corresponding to the outer peripheral shape of the first GDL 2, and the height h of the bottom surface thereof is substantially the same as the thickness t 2 of the second GDL 4, pressing surface 84 is formed at a depth d corresponding to the thickness t 1 of the (seal surface 83) than the first GDL2.
  • the support step 8a can be positioned by fitting the end 2a of the first GDL 2 protruding from the outer periphery of the second GDL 4 and the height h substantially the same as the support height of the first GDL 2 by the second GDL 4. Support.
  • the seal surface 93 of the gasket 9 is wider than the close width (close width to the MEA 1) of the seal protrusion 82 of the gasket 8 opposed thereto, and the support step 9 a is on the inner peripheral side of the seal surface 93.
  • the support step 9a can position the end 3a of the first GDL 3 protruding from the outer periphery of the second GDL 5 by fitting, and the height h substantially the same as the support height of the first GDL 3 by the second GDL 5 Support.
  • Reference numerals 8b and 9b denote clearance grooves formed in the skirts of the seal ridges 82 and 92 in order to allow expansion and deformation in the lateral direction due to the compression of the seal ridges 82 and 92, respectively.
  • the second GDLs 4 and 5 are positioned on the inner circumferences of the gaskets 8 and 9, and the first GDLs 2 and 3 stacked on the second GDLs 4 and 5 have their ends protruding from the second GDLs 4 and 5
  • the portions 2a and 3a are positioned by the support stepped portions 8a and 9a of the gaskets 8 and 9 and supported at substantially the same height as the support heights of the first GDLs 2 and 3 by the second GDLs 4 and 5. For this reason, the shift
  • the support steps 8a and 9a of the gaskets 8 and 9 are almost closely fitted to the end portions 2a and 3a of the first GDLs 2 and 3, the gaskets 8 and 9 and the first GDLs 2 and 3 and the second GDL 4 There is no space to allow deformation of the MEA 1 between them and the end portions 2a of the first GDLs 2, 3 fitted to the support steps 8a, 9a of the gaskets 8, 9.
  • the MEA 1 is firmly pressed from both sides in the thickness direction by 3a. For this reason, deformation or damage of the MEA 1 is effectively prevented.
  • the pressing surface 84 on the inner peripheral side of the gasket 8 and the flat sealing surface 93 of the gasket 9 and the pressing surface 94 on the outer peripheral side of the gasket 9 and the flat sealing surface 83 of the gasket 8 are both sides of the end 1 a of the MEA 1.
  • the rigidity in the thickness direction by the gaskets 8 and 9 is enhanced, and the lamination distance between the separators 6 and 7 can be defined with high accuracy.
  • the gaskets 8 and 9 are in close contact with both sides of the MEA 1, but in the present invention, a film-like reinforcing frame is integrally provided on the outer periphery of the MEA 1,
  • the present invention can also be applied to those in which the gaskets 8 and 9 are put in close contact with each other.

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Abstract

ＭＥＡを、その厚さ方向両側にＧＤＬを介して配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造において、ＭＥＡの変形やＧＤＬのずれを有効に防止する。ＭＥＡの厚さ方向両側に第一ＧＤＬ、第二ＧＤＬ及びセパレータが順に積層され、第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬの外側で、ＭＥＡの端部を、その厚さ方向両側に位置するセパレータにそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットで挟み込む密封構造において、第一ＧＤＬの端部が、第二ＧＤＬの外周から張り出す大きさに形成され、ガスケットに、第一ＧＤＬの端部を位置決め可能であると共に第二ＧＤＬによる支持高さと同一高さに支持可能な支持段部が形成される。

Description

燃料電池の密封構造
　本発明は、燃料電池において、ＭＥＡを、その両側にＧＤＬを介して配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造に関するものである。
　燃料電池は、反応膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜－電極複合体）及びその厚さ方向両側に積層された多孔質の第一及び第二ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）と、カーボンあるいは金属からなるセパレータとを交互に配置して積層し、燃料ガス又は酸化ガスを、前記第一及び第二ＧＤＬを介してＭＥＡへ流通させるものが知られている。すなわち燃料電池は、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。
　この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、その反応によって生成した水や余剰の酸化ガス、冷媒などをシールする必要があり、そのためのガスケットが設けられている。ガスケットは、ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられ、ＭＥＡの表面に密接されるものが知られている。
　図７は、従来の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８は、積層状態で示す部分断面図である。
　図７に示される燃料電池は、反応膜（イオン交換膜）の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ１０１の厚さ方向両側に第一ＧＤＬ１０２，１０３、第二ＧＤＬ１０４，１０５及びセパレータ１０６，１０７が順に積層され、第一ＧＤＬ１０２，１０３及び第二ＧＤＬ１０４，１０５の外側で、ＭＥＡ１０１又はこのＭＥＡ１０１と一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータ１０６，１０７にそれぞれ一体的に設けたゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット１０８，１０９で挟み込んでいる（例えば下記の特許文献１参照）。
特開２００８－３４３８３号公報
　しかしながら、上述した従来の密封構造において、図８に示される積層状態では、ガスケット１０８，１０９におけるシール突条１０８ａ，１０９ａと第一ＧＤＬ１０２，１０３及び第二ＧＤＬ１０４，１０５との間に空間Ｓが形成されるため、この空間ＳにおいてＭＥＡ１０１の変形を生じるおそれがあり、最悪の場合はＭＥＡ１０１の破損も懸念される。しかも、空間Ｓの存在によって、第一ＧＤＬ１０２，１０３のずれも発生しやすかった。
　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、ＭＥＡを、その両側にＧＤＬを介して配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造において、ＭＥＡの変形や第一ＧＤＬのずれを有効に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、ＭＥＡの厚さ方向両側に第一ＧＤＬ、第二ＧＤＬ及びセパレータが順に積層され、前記第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬの外側で、前記ＭＥＡ又はこのＭＥＡと一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータにそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ＧＤＬの端部が、前記第二ＧＤＬの外周から張り出す大きさに形成され、前記ガスケットに、前記第一ＧＤＬの端部を位置決め可能であると共に前記第二ＧＤＬによる支持高さと略同一の高さに支持可能な支持段部が形成されたものである。
　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、ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、セパレータに接合された平坦な基部と、この基部から立ち上がるシール突条とを有し、支持段部が、前記基部と前記シール突条の裾部によって形成されたものである。
　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、ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、平坦なシール面を有するものであって、支持段部が、前記シール面より第一ＧＤＬの厚さ分だけ深い段差状に形成されたものである。
　請求項１～３の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、第二ＧＤＬの端部から張り出した第一ＧＤＬの端部が、ガスケットに形成された支持段部によって位置決めされると共に、この支持段部上に第二ＧＤＬと同一高さに支持されるので、ガスケットと第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬとの間に、ＭＥＡの変形を生じるような空間が形成されることがなく、第一ＧＤＬの位置ずれを生じることもない。
本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を分離状態で示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を積層状態で示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を分離状態で示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を積層状態で示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を分離状態で示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を積層状態で示す部分断面図である。 従来の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である。 従来の技術による燃料電池の密封構造を積層状態で示す部分断面図である。
　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説明する。まず図１は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を分離状態で示す部分断面図、図２は、積層状態で示す部分断面図である。
　図１において、参照符号１は、反応膜の両面に一対の電極層（不図示）を設けた構造を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜－電極複合体）、参照符号２，３は、このＭＥＡ１の厚さ方向両側に積層される金属多孔体又はカーボン多孔体からなる第一ＧＤＬ、参照符号４，５は、ＭＥＡ１から見て第一ＧＤＬ２，３の外側に積層される金属多孔体又はカーボン多孔体からなる第二ＧＤＬ、参照符号６，７は、ＭＥＡ１から見て第二ＧＤＬ４，５のさらに外側に積層される金属又はカーボンからなるセパレータである。なお、第一ＧＤＬ２，３は互いに同形同大であり、第二ＧＤＬ４，５は互いに同形同大であり、セパレータ６，７は互いに同形同大である。
　参照符号８，９は、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料、好ましくはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、パーフルオロゴム（ＦＦＫＭ）などから選択された弾性材料からなるガスケットで、それぞれセパレータ６，７に一体的に接着されている。このガスケット８，９は互いに同形同大であって、セパレータ６，７に接合され、高さｈが第二ＧＤＬ４，５の厚さｔ2と略同一の平坦な基部８１，９１と、この基部８１，９１の幅方向中間位置から、第一ＧＤＬ２，３の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条８２，９２とを有する。
　第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５の外周から張り出す大きさに形成されており、ＭＥＡ１は、第一ＧＤＬ２，３の外周から張り出す大きさに形成されている。
　第一ＧＤＬ２，３の外周から張り出したＭＥＡ１の端部１ａは、図２に示されるように、図における下側のセパレータ６に一体的に設けられたガスケット８のシール突条８２と、図における上側のセパレータ７に一体的に設けられたガスケット９のシール突条９２との間に挟み込まれており、これによって、ＭＥＡ１に供給される燃料ガス（水素）及び酸化ガスや、その電気化学反応により生成されて排出される水や余剰ガス、冷媒などが外部へ漏洩するのを防止している。
　ガスケット８，９には、内周側を向いた基部８１，９１の上面と、シール突条８２，９２の裾部によって、支持段部８ａ，９ａが形成されている。シール突条８２，９２における内周側の裾部は、第一ＧＤＬ２，３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、先に説明したように、基部８１，９１の高さｈは第二ＧＤＬ４，５の厚さｔ2と略同一であるから、支持段部８ａ，９ａは、第二ＧＤＬ４，５の外周から張り出した第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａを位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと同一高さｈに支持可能となっている。
　また、ガスケット８，９における基部８１，９１の内周縁は、第二ＧＤＬ４，５の外周形状と対応する平面形状をなして延びており、第二ＧＤＬ４，５が前記基部８１，９１の内周に遊嵌されることによって位置決めされるようになっている。
　上記構成の部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、図２に示されるように、ガスケット８，９のシール突条８２，９２が適当に圧縮された状態で、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。また、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の基部８１，９１の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
　特に、ガスケット８，９のシール突条８２，９２は、圧縮に伴う横方向への膨張変形によって、その裾部（支持段部８ａ，９ａ）が第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９のシール突条８２，９２と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、シール突条８２，９２の内周側でＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
　次に、図３は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を分離状態で示す部分断面図、図４は、積層状態で示す部分断面図である。
　この第二の形態において、上述した第一の形態と異なるところは、図における上側のセパレータ７に一体的に設けられたガスケット９が、平坦なシール面９３を有するフラットシール形状をなすものであって、支持段部９ａが、前記シール面９３から段差状に陥没した形状に形成されたことにある。その他の部分の構成は、図１及び図２に示される第一の形態と同様である。
　詳しくは、ガスケット９は、第一ＧＤＬ３の厚さｔ1と第二ＧＤＬ５の厚さｔ2との和に相当する高さに形成されていて、ＭＥＡ１の端部１ａと密接される平坦なシール面９３は、ガスケット８のシール突条８２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部９ａは、シール面９３の内周側に第一ＧＤＬ３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ５の厚さｔ2と略同一であり、シール面９３より第一ＧＤＬ３の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部９ａは、第二ＧＤＬ５の外周から張り出した第一ＧＤＬ３の端部３ａを嵌合により位置決め可能であると共に、第二ＧＤＬ５による第一ＧＤＬ３の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
　このように構成された第二の形態において、図３及び図４に示される部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、ガスケット８のシール突条８２とガスケット９の平坦なシール面９３が、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。ここで、先に説明した図１及び図２のように、ガスケット８，９がシール突条８２，９２でＭＥＡ１の端部１ａを挟み込むものである場合、例え僅かでも組み付け精度によるずれ（オフセット）があると、シール突条８２，９２による面圧極大部のずれによって、ＭＥＡ１の端部１ａが曲げモーメントを受けて変形するおそれがあるが、第二の形態によれば、一方のガスケット９のシール面９３が平坦であるため、ＭＥＡ１の両側のガスケット８，９に互いに僅かなずれがあっても、ＭＥＡ１の端部１ａには、上述のような曲げモーメントは生じない。
　そして、この形態でも、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５の上に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
　また、ガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａが第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、ＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
　次に、図５は、本発明に係る燃料電池の密封構造の第三の形態を分離状態で示す部分断面図、図６は、積層状態で示す部分断面図である。
　この第三の形態において、上述した第一の形態と異なるところは、一方のガスケット８が、外周側に第一ＧＤＬ２の厚さｔ1と第二ＧＤＬ４の厚さｔ2との和に相当する高さに形成された平坦なシール面８３と、その内周側の位置から、第一ＧＤＬ２の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条８２と、さらにその内周側にあって、シール面８３と同等の高さに形成された平坦な押さえ面８４を有し、他方のガスケット９が、内周側に第一ＧＤＬ３の厚さｔ1と第二ＧＤＬ５の厚さｔ2との和に相当する高さであってガスケット８のシール突条８２及び押さえ面８４と対向する平坦なシール面９３と、その外周側の位置から、第一ＧＤＬ３の厚さｔ1より高く隆起した断面山形のシール突条９２と、さらにその外周側にあってガスケット８のシール面８３の外周部と対向し、シール面９３と同等の高さに形成された平坦な押さえ面９４を有することにある。なお、ＭＥＡ１、第一ＧＤＬ２，３、第二ＧＤＬ４，５及びセパレータ６，７などは、図１及び図２に示される第一の形態と同様である。
　ガスケット８のシール面８３は、これと対向するガスケット９のシール突条９２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部８ａは、押さえ面８４の内周側から段差状に陥没した形状に形成されていて、第一ＧＤＬ２の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ４の厚さｔ2と略同一であり、押さえ面８４（シール面８３）より第一ＧＤＬ２の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部８ａは、第二ＧＤＬ４の外周から張り出した第一ＧＤＬ２の端部２ａを嵌合により位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ４による第一ＧＤＬ２の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
　同様に、ガスケット９のシール面９３は、これと対向するガスケット８のシール突条８２の密接幅（ＭＥＡ１に対する密接幅）よりも幅が広く、支持段部９ａは、シール面９３の内周側から段差状に陥没した形状に形成されていて、第一ＧＤＬ３の外周形状と略対応する平面形状をなして延びており、その底面の高さｈは第二ＧＤＬ５の厚さｔ2と略同一であり、シール面９３より第一ＧＤＬ３の厚さｔ1に相当する深さｄで形成されている。このため、支持段部９ａは、第二ＧＤＬ５の外周から張り出した第一ＧＤＬ３の端部３ａを嵌合により位置決め可能であると共に第二ＧＤＬ５による第一ＧＤＬ３の支持高さと略同一の高さｈに支持可能となっている。
　なお、参照符号８ｂ，９ｂは、それぞれシール突条８２，９２の圧縮に伴う横方向への膨張変形を許容するためにシール突条８２，９２の裾部に形成された逃げ溝である。
　このように構成された第三の形態において、図５及び図６に示される部品群を一つの単位（燃料電池セル）として、これを多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて組み立てた状態では、互いに対向するガスケット８のシール突条８２とガスケット９の平坦なシール面９３、及びその外周側で互いに対向するガスケット９のシール突条９２とガスケット８の平坦なシール面８３が、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接される。このため、組み付け精度による僅かなずれ（オフセット）があっても、ＭＥＡ１の端部１ａが曲げモーメントを受けて変形するおそれはなく、しかも複数段の密接シール部が形成されるので、優れた密封性を発揮する。
　またこの形態でも、第二ＧＤＬ４，５は、ガスケット８，９の内周に位置決めされ、第二ＧＤＬ４，５の上に積層された第一ＧＤＬ２，３は、第二ＧＤＬ４，５から張り出した端部２ａ，３ａがガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａによって位置決めされると共に、第二ＧＤＬ４，５による第一ＧＤＬ２，３の支持高さと略同一の高さに支持される。このため、第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５のずれが有効に防止される。
　また、ガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａが第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａにほぼ密接嵌合状態になるので、ガスケット８，９と第一ＧＤＬ２，３及び第二ＧＤＬ４，５との間に、ＭＥＡ１の変形を許容するような空間が形成されることはなく、しかもガスケット８，９の支持段部８ａ，９ａに嵌合された第一ＧＤＬ２，３の端部２ａ，３ａによって、ＭＥＡ１が厚さ方向両側からしっかり押さえられる。このため、ＭＥＡ１の変形や破損が有効に防止される。
　さらには、ガスケット８の内周側の押さえ面８４とガスケット９の平坦なシール面９３及びガスケット９の外周側の押さえ面９４とガスケット８の平坦なシール面８３も、ＭＥＡ１の端部１ａの両面に密接されるため、ガスケット８，９による厚さ方向の剛性が高まり、セパレータ６，７間の積層間隔を高精度に規定することができる。
　なお、上述の各形態においては、ガスケット８，９がＭＥＡ１の両面に密接されるものについて説明したが、本発明は、ＭＥＡ１の外周部にフィルム状の補強フレームを一体に設けて、この補強フレームをガスケット８，９で挟み込むように密接させるものについても適用することができる。
１　ＭＥＡ
２，３　第一ＧＤＬ
４，５　第二ＧＤＬ
６，７　セパレータ
８，９　ガスケット
８ａ，９ａ　支持段部
８１，９１　基部
８２，９２　シール突条
８３，９３　シール面
８４，９４　押さえ面

Claims (3)

  1. 　ＭＥＡの厚さ方向両側に第一ＧＤＬ、第二ＧＤＬ及びセパレータが順に積層され、前記第一ＧＤＬ及び第二ＧＤＬの外側で、前記ＭＥＡ又はこのＭＥＡと一体の補強フレームを、その厚さ方向両側に位置するセパレータにそれぞれ一体的に設けたゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ＧＤＬの端部が、前記第二ＧＤＬの外周から張り出す大きさに形成され、前記ガスケットに、前記第一ＧＤＬの端部を位置決め可能であると共に前記第二ＧＤＬによる支持高さと略同一の高さに支持可能な支持段部が形成されたことを特徴とする燃料電池の密封構造。
  2. 　ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、セパレータに接合された平坦な基部と、この基部から立ち上がるシール突条とを有し、支持段部が、前記基部と前記シール突条の裾部によって形成されたものであ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。
  3. 　ＭＥＡ又は補強フレームの厚さ方向両側のガスケットのうち、少なくとも一方のガスケットが、平坦なシール面を有するものであって、支持段部が、前記シール面より第一ＧＤＬの厚さ分だけ深い段差状に形成されたものであ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。
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