JP2000294254A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能を維持しつつも、製造時の作業性に優
れ、製造コストを節約することができる固体高分子型燃
料電池を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜１の両面に、一対の
燃料極２及び酸化剤極３を配置して、膜電極複合体Ｓを
構成する。膜電極複合体Ｓを、燃料ガス用セパレータ２
０及び酸化剤ガス用セパレータ３０によって挟持し、冷
却水用セパレータ４０を重ねて単位電池１４を構成す
る。単位電池１４を積層して燃料電池スタックを構成す
る。各セパレータ２０，３０，４０に、加硫ゴムのパッ
キング５０を加硫接着によって一体化させる。パッキン
グ５０は、各セパレータに２０，３０，４０おける外周
部の内縁に形成された外枠部５１、供給孔、排出孔及び
流路溝のある集電部を囲む内枠部５２と、各セパレータ
の役割以外の供給孔及び排出孔の周囲を囲む仕切部５３
によって構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン伝導性を有
する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。この燃料電池には多
様な種類があるが、中でも、電解質としてプロトン伝導
性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、小
形軽量で出力密度が高く、構造が簡単で電解質が腐食性
でないため耐久性に優れるなどの利点を有しているた
め、宇宙用や車両用などの電源として注目されている。

【０００３】かかる固体高分子型燃料電池として従来か
ら用いられているものの一例を、図９〜１６を参照して
以下に説明する。まず、電解質と電極から成る膜電極複
合体Ｓの構成を、図９及び図１０に示す。なお、図９は
断面図、図１０は平面図である。すなわち、図９に示す
ように、膜電極複合体Ｓは、高分子電解質膜１を一対の
シート状の燃料極２及び酸化剤極３で狭持することによ
り構成され、その厚みは概略１ｍｍ以下となっている。
高分子電解質膜１としては、パーフルオロカーボンスル
ホン酸膜（例えば、商品名：ナフィオン、デュポン社
製）などが用いられる。燃料極２及び酸化剤極３は、白
金などの触媒を有する多孔質電極である。

【０００４】通常の高分子電解質膜１、燃料極２及び酸
化剤極３のシート形状は、図１０に示すように、矩形で
あり、燃料極２及び酸化剤極３の面積は発電に必要な電
流値と、単位面積当たりの電流値である電流密度とによ
って決まる。通常は、概略１００ｃｍ² 以上、すなわち
１辺１０ｃｍ以上の大きさである。また、高分子電解質
膜１は、燃料極２と酸化剤極３とにそれぞれ供給される
ガスの混合を防ぐ役割もあるため、高分子電解質膜１の
面積は、燃料極２若しくは酸化剤極３の面積よりも大き
く形成されている。

【０００５】そして、図１１に示すように、燃料極２と
酸化剤極３の外側には、セパレータ４が配置されてい
る。セパレータ４は、まず、上記のような構成の膜電極
複合体Ｓから電流を取り出す集電体としての役割を有す
る。このため、セパレータ４には、導電性、気密性、耐
熱性、加工性、強度等に優れていることが要求される。
従って、セパレータ４としては、例えば、高密度のカー
ボンプレートや耐食処理を施した金属板などが用いられ
ている。そして、セパレータ４には、電池反応に必要な
燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料極２及び酸化剤極３に供
給するために、多数の燃料ガス流路溝５及び酸化剤ガス
流路溝６が、燃料極２及び酸化剤極３の面と平行に形成
されている。

【０００６】かかるセパレータ４を酸化剤極３と接する
面から見た平面図を図１２に示し、図１２のＸ−Ｘ方向
断面図を図１３に示す。この図１２及び図１３にに示す
ように、セパレータ４の端部には、燃料ガス供給孔７、
燃料ガス排出孔８、酸化剤ガス供給孔９、酸化剤ガス排
出孔１０、冷却水供給孔１１及び冷却水排出孔１２が設
けられている。燃料ガス供給孔７及び燃料ガス排出孔８
は、各膜電極複合体Ｓに燃料ガスを供給及び排出するた
めに設けられ、互いに燃料ガス流路溝５によって結ばれ
ている。酸化剤ガス供給孔９及び酸化剤ガス排出孔１０
は、各膜電極複合体Ｓに酸化剤ガスを供給及び排出する
ために設けられ、互いに酸化剤ガス流路溝６によって結
ばれている。

【０００７】また、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合や外
部への漏れを防ぐため、シール材としてパッキング１３
が用いられている。このパッキング１３の配置構成を、
図１４及び図１５を参照して説明する。なお、図１４
は、酸化剤極３と接する面から見たセパレータ４及びパ
ッキング１３の平面図であり、図１５は、図１４のＹ−
Ｙ方向断面図である。すなわち、図１４に示すように、
パッキン１３は、セパレータ４の縁部、各ガス流路溝の
周囲、各供給孔及び各排出孔の周囲に配設されている。
このパッキング１３は、図１５に示すように、セパレー
タ４とは別々の部品であり、積層時に重ね合わせられて
いる。これらのパッキング１３としては、耐熱性、シー
ル性、耐水性等が必要とされ、例えば、フッ素ゴム系Ｏ
リングなどが用いられる。

【０００８】さらに、１つの膜電極複合体Ｓから生じる
起電力は１Ｖ以下と小さいため、図１６に示すように、
膜電極複合体Ｓ、セパレータ４及びパッキング１３から
成る単位電池１４を積層し、直列に接続することにより
燃料電池スタックを構成し、起電力を高くしている。こ
の際、セパレータ４及びパッキング１３は、隣接する膜
電極複合体Ｓの間に挟まれる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成の固体高分子型燃料電池には、以下のような
問題があった。すなわち、多数の単位電池１４を積層し
て燃料電池スタックを製作する場合、セパレータ４とパ
ッキング１３が、別々の部品であるために、積層時にず
れが生じる可能性があるとともに、正確な積層に多くの
時間を要することになる。

【００１０】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
高性能を維持しつつも、製造時の作業性に優れ、製造コ
ストを節約することができる固体高分子型燃料電池を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、固体高分子膜の両面に、触媒層を含む
一対の電極をそれぞれ配置してなる単位電池を、ガス不
透過性で導電性の材料から成るセパレータによって挟持
した固体高分子型燃料電池において、以下のような技術
的特徴を有する。

【００１２】すなわち、請求項１記載の発明は、前記セ
パレータには、流体をシールする加硫ゴム製のパッキン
グが一体化されていることを特徴とする。以上のような
請求項１記載の発明では、多数の単位電池を積層して、
燃料電池スタックを製作する場合に、セパレータと加硫
ゴム製パッキングとが一体化されているので、パッキン
グを別体とした場合に発生しやすいズレが防止され、積
層時の作業性が向上し、製作時間が大幅に短縮化され
る。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体高分子型燃料電池において、前記セパレータには凹部
が形成され、前記パッキングは前記凹部に嵌め込まれて
いることを特徴とする。以上のような請求項２記載の発
明では、パッキングの位置が凹部によって確実に固定さ
れるので、単位電池を積層して締め付けた場合であって
も、パッキングのズレの発生がなく、作業性と健全性が
より一層向上する。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の固体高分子型燃料電池において、前記パッキ
ングがエチレンプロピレンゴムであることを特徴とす
る。請求項４記載の発明は、請求項１又は請求項２記載
の固体高分子型燃料電池において、前記パッキングが、
シリコーンゴムであることを特徴とする。請求項５記載
の発明は、請求項１又は請求項２記載の固体高分子型燃
料電池において、前記パッキングが水素化ニトリルゴム
であることを特徴とする。以上のような請求項３〜５記
載の発明では、パッキングに、エチレンプロピレンゴ
ム、シリコーンゴム若しくは水素化ニトリルゴム（水素
添加ニトリルゴム）を用いているので、フッ素ゴムを用
いた場合と比較して、同程度のシール性を実現しつつ、
材料コストを飛躍的に低減することができる。

【００１５】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前
記パッキングが、加硫接着によりセパレータと一体化さ
れていることを特徴とする。以上のような請求項６記載
の発明では、パッキングの成型と同時に、セパレータと
の一体化が実現できるので、作業性が向上する。

【００１６】請求項７記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前
記パッキングが、耐熱性両面テープによりセパレータと
一体化されていることを特徴とする。以上のような請求
項７記載の発明では、従来技術と同程度のシール性を実
現しつつ、セパレータとパッキングとの一体化を容易に
行うことができ、作業性が向上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】（１）第１の実施の形態 １−１．構成 請求項１、請求項３及び請求項６記載の発明に対応する
実施の形態を、図１〜５を参照して以下に説明する。す
なわち、図１に示すように、本実施の形態における固体
高分子型燃料電池の単位電池は、燃料ガス用セパレータ
２０と酸化剤ガス用セパレータ３０によって膜電極複合
体Ｓを挟持し、燃料ガス用セパレータ２０の背面に冷却
水用セパレータ４０を配置し、これらの間に流体シール
用のパッキング５０を配設することによって構成されて
いる。

【００１８】燃料ガス用セパレータ２０、酸化剤ガス用
セパレータ３０及び冷却水用セパレータ４０は、例え
ば、外形寸法２３０×２３６ｍｍのカーボン材を用い
る。これらの燃料ガス用セパレータ２０、酸化剤ガス用
セパレータ３０及び冷却用セパレータ４０には、図２に
示すように、それぞれにおける一方の端部に厚さ方向に
貫通した燃料ガス供給孔２１，３１，４１、酸化剤ガス
供給孔２２，３２，４２、冷却水供給孔２３，３３，４
３が設けられ、他方の端部に厚さ方向に貫通した燃料ガ
ス排出孔２４，３４，４４、酸化剤ガス排出孔２５，３
５，４５、冷却水排出孔２６，３６，４６が設けられて
いる。なお、膜電極複合体Ｓにも、上記の供給孔及び排
出孔に対応する燃料ガス供給孔Ｓ１、酸化剤ガス供給孔
Ｓ２、冷却水供給孔Ｓ３、燃料ガス排出孔Ｓ４、酸化剤
ガス排出孔Ｓ５、冷却水排出孔Ｓ６が形成されている。

【００１９】また、上記の各セパレータの片面には、蛇
行状の流路溝が形成されている。つまり、燃料ガス用セ
パレータ２０における膜電極複合体Ｓ側の面には、燃料
ガス供給孔２１と燃料ガス排出孔２４とを結ぶ複数本の
蛇行溝である燃料ガス流路溝２７が形成されている。ま
た、酸化剤ガス用セパレータ３０における膜電極複合体
Ｓ側の面には、酸化剤ガス供給孔３２と酸化剤ガス排出
孔３５を結ぶ複数本の蛇行溝である酸化剤ガス流路溝３
７が形成されている。そして、冷却用セパレータ４０に
おける酸化剤ガス用セパレータ３０側の面には、冷却水
供給孔４３と冷却水排出孔４６とを結ぶ冷却水流路溝４
７が形成されている。

【００２０】さらに、パッキング５０は、耐熱性ＥＰＤ
Ｍ（エチレン・プロピレン・ジエンモノマー（例えば、
東京ゴム製品工業株式会社製、ゴム硬度Ｈｓ６０））が
用いられ、各セパレータ２０，３０，４０に加硫接着に
よって一体化されている。加硫接着条件としては、例え
ば、圧力６０ｋｇｆ／ｃｍ² 、温度１７０℃、保持時間
１５分とする。

【００２１】このパッキング５０は、各セパレータにお
ける外周部の内縁に形成された外枠部５１、供給孔、排
出孔及び流路溝のある集電部を囲む内枠部５２と、各セ
パレータの役割以外の供給孔及び排出孔の周囲を囲む仕
切部５３によって構成されている。例えば、図３に示す
ように、酸化剤ガス用セパレータ３０の場合には、燃料
ガス供給孔３１、冷却水供給孔３３、燃料ガス排出孔３
４及び冷却水供給３６は、それぞれ仕切部５３によって
仕切られ、酸化剤ガス流路溝３７を流通している酸化剤
ガスの流入が防止されている。

【００２２】１−２．作用効果 以上のような本実施の形態の作用効果を、従来技術との
比較試験の結果に基づいて説明する。

【００２３】１−２−１．試験対象の仕様 試験に用いた本実施の形態の単位電池をＡ、従来技術の
単位電池による比較例をＢとする。ここで、本実施の形
態の単位電池Ａの構成は、上述の通りであるが、比較例
としての従来の単位電池Ｂは、図４及び図５に示すよう
に、各セパレータ２０，３０，４０とパッキング５０と
を、それぞれ別パーツとしたものである。パッキング５
０としては、耐熱性、耐久性等に優れたフッ素ゴム系の
Ｏリング状パッキングを用いた。その他の構成は、単位
電池Ａと同様である。

【００２４】また、単位電池Ａを積層して燃料電池スタ
ックＣ、単位電池Ｂを積層して燃料電池スタックＤをそ
れぞれ製作した。燃料電池スタックＣ，Ｄにおいては、
単位電池Ａ，Ｂを直列に積層した個数は共に２００であ
り、冷却水セパレータ４０と酸化剤ガスセパレータ３０
は、それぞれの背面同士を一体化したものを用いること
により、流体シール性、電気伝導性を維持している。

【００２５】１−２−２．単位電池のガスリークチェッ
ク かかる単位電池Ａ及び単位電池Ｂの製作後、まず、発電
前にガスの電池外部へのリークアウトチェックを行っ
た。このチェックは、冷却水系に栓をし、燃料極系−酸
化剤極系に不活性ガスである窒素ガスを封入し、両極同
時に圧力３ａｔａまで昇圧し、それぞれ栓をして１時間
保持するものである。その結果、１時間後も燃料極系−
酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガスのリーク
アウトは認められなかった。

【００２６】次に、単位電池Ａ及び単位電池Ｂにおける
燃料極系−酸化剤極系のクロスリークチェックを行っ
た。このチェックは、冷却水系に栓をし、燃料極系には
不活性ガスであるヘリウムを１Ｎｌ／ｍｉｎ、酸化剤極
系には窒素ガスを３Ｎｌ／ｍｉｎ流し、酸化剤極系出口
でガスをサンプリングして質量分析器にてヘリウムの濃
度を測定するものである。ガス圧力は共に３ａｔａとし
た。その結果、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は約４
０００ｐｐｍとなった。

【００２７】１−２−３．単位電池の発電試験 このような単位電池Ａを、配管・配線し、発電試験を行
った。運転条件は、ガス圧力１ａｔａ、電流密度０．２
Ａ／ｃｍ² 、燃料ガスには水素ガス、酸化剤ガスには空
気、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％として行っ
た。開路電圧（ＯＣＶ）の初期値は０．９５５Ｖであっ
た。

【００２８】この条件下で連続発電を行い、２０００時
間後にＯＣＶを測定したところ、０．９５４Ｖであり、
初期値をほぼ再現した。この時点で、一旦発電試験を中
止し、上記に示すクロスリークチェックを同条件下で行
ったところ、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は約３５
００ｐｐｍとなった。このように、単位電池の試験で
は、単位電池Ａ及び単位電池Ｂともに同様の特性が再現
された。

【００２９】１−２−４．電池スタックのガスリークチ
ェック 次に、燃料電池スタックＣ，Ｄについて、発電前にガス
の電池外部へのリークアウトチェックを行った。このチ
ェックも、冷却水系には栓をし、燃料極系−酸化剤極系
に不活性ガスである窒素ガスを封入し、両極同時に圧力
３ａｔａまで昇圧し、それぞれ栓をして１時間保持する
ことにより行った。その結果、燃料スタックＣ，Ｄは、
共に１時間後も、燃料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを
維持しており、ガスのリークアウトは認められなかっ
た。

【００３０】また、燃料電池スタックＣ，Ｄの燃料極系
−酸化剤極系のクロスリークチェックを行った。このチ
ェックは、燃料電池スタックＣ，Ｄの燃料極系に、不活
性ガスであるヘリウムを２００Ｎｌ／ｍｉｎ、酸化剤極
系に窒素ガスを６００Ｎｌ／ｍｉｎ流し、酸化剤極系出
口でガスをサンプリングしてヘリウムの濃度を測定する
ことにより行った。ガス圧力は、共に３ａｔａとした。
その結果、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は燃料電池
スタックＣ，Ｄ共に約４０００ｐｐｍとなった。

【００３１】１−２−５．燃料電池スタックの発電試験 以上のような燃料電池スタックＣ，Ｄを配管・配線し、
発電試験を行った。運転条件は、ガス圧力１ａｔａ、電
流密度０．２Ａ／ｃｍ² 、燃料ガスには水素ガス、酸化
剤ガスには空気、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０
％として行った。開路電圧（ＯＣＶ）の２００セル平均
の初期値はスタックＣで０．９５３Ｖ、スタックＤで
０．９５５Ｖであった。

【００３２】この条件下で連続発電を行い、５００時間
後にＯＣＶを測定したところ、燃料電池スタックＣで
０．９５２Ｖ、燃料電池スタックＤで０．９５３Ｖであ
り、初期値をほぼ再現した。この時点で一旦発電試験を
中止し、上記に示すクロスリークチェックを同条件下で
行ったところ、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は燃料
電池スタックＣ、Ｄ共に約３５００ｐｐｍとなった。こ
のように、燃料電池スタックＣによると、従来の仕様の
燃料電池スタックＤとほぼ同様の特性を再現できる。

【００３３】一方、パッキング一体化のセパレータを用
いた燃料電池スタックＣにおけるコストは、パッキング
とセパレータとを別部材とした燃料電池スタックＤにお
けるコストのおよそ半分であり、部品代で約５０％のコ
ストダウンが実現できる。また、燃料電池スタックＣ，
Ｄを積層するために要する時間は、燃料電池スタックＣ
で約３日間、燃料スタックＤで約１週間であり、１日当
たりのマンパワーは互いに等しいことから、人件費とし
ては、およそ５０％以上のコストダウンが実現できる。
以上のことから、本実施の形態によれば、従来技術と同
様の特性を維持しながら、従来技術よりも飛躍的なコス
トダウンを達成することができる。

【００３４】（２）第２の実施の形態 ２−１．構成 請求項１、請求項２、請求項３及び請求項６記載の発明
に対応する実施の形態を、図６及び図７を参照して以下
に説明する。すなわち、本実施の形態は、燃料ガス用セ
パレータ２０、酸化剤ガス用セパレータ３０及び冷却用
セパレータ４０において、パッキング５０が一体化され
ている個所の断面形状が、図７に示すように、凹形状に
することにより、加硫接着面積を増大させて、パッキン
グ５０の位置決めを確実にし、電池を締め付けた際のパ
ッキング５０のズレを防止している。その他の構成は、
上記の第１の形態と同様である。

【００３５】２−２．作用 以上のような本実施の形態の作用効果を、従来技術との
比較試験の結果に基づいて説明する。

【００３６】２−２−１．試験対象の仕様 試験に用いた本実施の形態の単位電池をＥ、単位電池Ｅ
により製作した燃料電池スタックをＦとする。燃料電池
スタックＦは、単位電池Ｅを用いた以外は、燃料電池ス
タックＣと同様の仕様とする。

【００３７】２−２−２．単位電池のガスリークチェッ
ク かかる単位電池Ｅの製作後、まず、発電前に、上記の第
１の実施の形態と同様の条件で、ガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料極系−
酸化剤極系のクロスリークチェックを、上記の第１の実
施の形態と同様の条件で行った。その結果、酸化剤極系
出口でのヘリウム濃度は約３７００ｐｐｍとなった。

【００３８】２−２−３．単位電池の発電試験 以上のような単位電池Ｅを配管・配線し、発電試験を行
った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と同様であ
る。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の初期値は０．９５６Ｖ
であった。この条件下で連続発電を行い、２０００時間
後にＯＣＶを測定したところ、０．９５５Ｖであり、初
期値をほぼ再現した。この時点で一旦発電試験を中止
し、上記に示すクロスリークチェックを同条件下で行っ
たところ、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は約３３０
０ｐｐｍとなった。このように、単位電池Ｅの試験で
は、単位電池Ａ、Ｂの結果をほぼ再現しており、クロス
リークチェック量は更に低減している。

【００３９】２−２−４．電池スタックのガスリークチ
ェック 次に、燃料電池スタックＦに関して、上記の第１の実施
の形態と同様の条件で、発電前にガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料電池ス
タックＦに関して、上記の第１の実施の形態と同様の条
件で、燃料極系−酸化剤極系のクロスリークチェックを
行った。その結果、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は
約３７００ｐｐｍとなった。

【００４０】２−２−５．燃料電池スタックの発電試験 以上のような燃料電池スタックＦを配管・配線し、発電
試験を行った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と
同様である。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の２００セル平
均の初期値は０．９５４Ｖであった。この条件下で連続
発電を行い、５００時間後にＯＣＶを測定したところ、
０．９５６Ｖであり、初期値をほぼ再現した。この時点
で一旦発電試験を中止し、上記に示すクロスリークチェ
ックを同条件下で行ったところ、酸化剤極系出口でのヘ
リウム濃度は約３３００ｐｐｍとなった。このように、
燃料電池スタックＦによると、従来の仕様の燃料電池ス
タックＤとほぼ同様の特性を再現した。

【００４１】一方、パッキング一体化のセパレータを用
いた燃料電池スタックＦにおけるコストは、燃料電池ス
タックＣとほぼ同額であり、パッキングとセパレータと
を別部材とした燃料電池スタックＤにおけるコストのお
よそ半分である。従って、部品代では約５０％のコスト
ダウンが実現できる。

【００４２】また、燃料電池スタックＦにおいては、パ
ッキングが一体化されている箇所の断面形状が凹形状と
なっていることから、パッキングのズレが殆ど生じな
い。このため、単位電池Ｅを積層して燃料電池スタック
Ｆを製作するために要する時間は約２．５日間となる。
従って、燃料電池スタックＣよりも更に短い時間で積層
することができ、さらに飛躍的なコストダウンを達成で
きる。

【００４３】（３）第３の実施の形態 ３−１．構成 請求項１、請求項４及び請求項７記載の発明に対応する
実施の形態を、図８を参照して以下に説明する。すなわ
ち、本実施の形態は、燃料ガス用セパレータ２０、酸化
剤ガス用セパレータ３０及び冷却用セパレータ４０が、
耐食性コーティングを施したステンレス（例えば、ＳＵ
Ｓ３１６Ｌなど）から成り、外形寸法２３０×２３６ｍ
ｍである。そして、燃料ガス用セパレータ２０、酸化剤
ガス用セパレータ３０及び冷却用セパレータ４０におい
て、パッキング５０が一体化されている個所の断面形状
は、図８に示すように平らであり、パッキング接着用の
高耐熱性両面接着テープ６０（例えば、商品名：ダイタ
ック、大日本インキ化学工業株式会社製）によって、各
セパレータ２０，３０，４０とパッキング５０とが一体
化されている。

【００４４】これは、本実施の形態のように、金属に特
殊な耐食性且つ導電性のあるコーティングをしたセパレ
ータ２０，３０，４０の場合には、上記の実施の形態で
示した加硫接着技術の適用が困難であるため、パッキン
グ５０との一体化に、耐熱性で薄い両面テープを使用し
たものである。なお、パッキング５０の材料としては、
耐水蒸気性シリコーンゴム（例えば、東京ゴム製品工業
株式会社製、ゴム硬度Ｈｓ６０）を用いる。その他の構
成は上記の第１の実施の形態と同様である。

【００４５】３−２．作用効果 以上のような本実施の形態の作用効果を、従来技術との
比較試験の結果に基づいて説明する。

【００４６】３−２−１．試験対象の仕様 試験に用いた本実施の形態の単位電池をＧ、単位電池Ｇ
により製作した燃料電池スタックをＨとする。燃料電池
スタックＨは、単位電池Ｅを用いた以外は、燃料電池ス
タックＣと同様の仕様とする。

【００４７】３−２−２．単位電池のガスリークチェッ
ク かかる単位電池Ｇの製作後、まず、発電前に、上記の第
１の実施の形態と同様の条件で、ガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料極系−
酸化剤極系のクロスリークチェックを、上記の第１の実
施の形態と同様の条件で行った。その結果、酸化剤極系
出口でのヘリウム濃度は約４０００ｐｐｍとなった。

【００４８】３−２−３．単位電池の発電試験 以上のような単位電池Ｇを配管・配線し、発電試験を行
った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と同様であ
る。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の初期値は０．９５６Ｖ
であった。この条件下で連続発電を行い、２０００時間
後にＯＣＶを測定したところ、０．９５４Ｖであり、初
期値をほぼ再現した。この時点で一旦発電試験を中止
し、上記に示すクロスリークチェックを同条件下で行っ
たところ、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は約３８０
０ｐｐｍとなった。このように、単位電池Ｇの試験で
も、単位電池Ａ、Ｂの結果をほぼ再現している。

【００４９】３−２−４．電池スタックのガスリークチ
ェック 次に、燃料電池スタックＨに関して、上記の第１の実施
の形態と同様の条件で、発電前にガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料電池ス
タックＨに関して、上記の第１の実施の形態と同様の条
件で、燃料極系−酸化剤極系のクロスリークチェックを
行った。その結果、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は
約４０００ｐｐｍとなった。

【００５０】３−２−５．燃料電池スタックの発電試験 以上のような燃料電池スタックＨを配管・配線し、発電
試験を行った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と
同様である。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の２００セル平
均の初期値は０．９５４Ｖであった。この条件下で連続
発電を行い、５００時間後にＯＣＶを測定したところ、
０．９５３Ｖであり、初期値をほぼ再現した。この時点
で一旦発電試験を中止し、上記に示すクロスリークチェ
ックを同条件下で行ったところ、酸化剤極系出口でのヘ
リウム濃度は約３８００ｐｐｍとなった。このように、
燃料電池スタックＨによると、従来の仕様の燃料電池ス
タックＤとほぼ同様の特性を再現した。

【００５１】一方、パッキング一体化のセパレータを用
いた燃料電池スタックＧにおけるコストは、パッキング
とセパレータとを別部材とした燃料電池スタックＤにお
けるコストの約６割である。従って、部品代ではおよそ
４０％のコストダウンが実現できる。

【００５２】また、単位電池Ｇを積層して燃料電池スタ
ックＨを製作するために要する時間は約３日間となる。
従って、燃料電池スタックＣと同様の日数で積層するこ
とができるので、トータルとして飛躍的なコストダウン
を達成できる。

【００５３】（４）第４の実施の形態 ４−１．構成 請求項１、請求項２、請求項５及び請求項６記載の発明
に対応する実施の形態を、図６を参照して以下に説明す
る。すなわち、本実施の形態は、パッキング５０の材料
として、Ｈ−ＮＢＲ（水素化（水素添加）ニトリルゴム
（例えば、東京ゴム製品工業株式会社製、ゴム硬度Ｈｓ
６０））を用いている。その他の構成は、上記の第２の
実施の形態と同様である。

【００５４】４−２．作用効果 以上のような本実施の形態の作用効果を、従来技術との
比較試験の結果に基づいて説明する。

【００５５】４−２−１．試験対象の仕様 試験に用いた本実施の形態の単位電池をＩ、単位電池Ｉ
により製作した燃料電池スタックをＪとする。燃料電池
スタックＪは、単位電池Ｉを用いた以外は、燃料電池ス
タックＣと同様の仕様とする。

【００５６】４−２−２．単位電池のガスリークチェッ
ク かかる単位電池Ｉの製作後、まず、発電前に、上記の第
１の実施の形態と同様の条件で、ガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料極系−
酸化剤極系のクロスリークチェックを、上記の第１の実
施の形態と同様の条件で行った。その結果、酸化剤極系
出口でのヘリウム濃度は約３７００ｐｐｍとなった。

【００５７】４−２−３．単位電池の発電試験 以上のような単位電池Ｉを配管・配線し、発電試験を行
った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と同様であ
る。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の初期値は０．９５６Ｖ
であった。この条件下で連続発電を行い、２０００時間
後にＯＣＶを測定したところ、０．９５５Ｖであり、初
期値をほぼ再現した。この時点で一旦発電試験を中止
し、上記に示すクロスリークチェックを同条件下で行っ
たところ、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は約３４０
０ｐｐｍとなった。このように、単位電池Ｉの試験で
も、単位電池Ａ、Ｂの結果をほぼ再現しており、クロス
リークチェック量は更に低減している。

【００５８】４−２−４．電池スタックのガスリークチ
ェック 次に、燃料電池スタックＪに関して、上記の第１の実施
の形態と同様の条件で、発電前にガスの電池外部へのリ
ークアウトチェックを行った。その結果、１時間後も燃
料極系−酸化剤極系共に３ａｔａを維持しており、ガス
のリークアウトは認められなかった。また、燃料電池ス
タックＪに関して、上記の第１の実施の形態と同様の条
件で、燃料極系−酸化剤極系のクロスリークチェックを
行った。その結果、酸化剤極系出口でのヘリウム濃度は
約３８００ｐｐｍとなった。

【００５９】４−２−５．燃料電池スタックの発電試験 以上のような燃料電池スタックＪを配管・配線し、発電
試験を行った。運転条件は、上記の第１の実施の形態と
同様である。なお、開路電圧（ＯＣＶ）の２００セル平
均の初期値は０．９５５Ｖであった。この条件下で連続
発電を行い、５００時間後にＯＣＶを測定したところ、
０．９５５Ｖであり、初期値を再現した。この時点で一
旦発電試験を中止し、上記に示すクロスリークチェック
を同条件下で行ったところ、酸化剤極系出口でのヘリウ
ム濃度は約３４００ｐｐｍとなった。このように、燃料
電池スタックＪによると、従来の仕様の燃料電池スタッ
クＤとほぼ同様の特性を再現した。

【００６０】一方、パッキング一体化のセパレータを用
いた燃料電池スタックＪにおけるコストは、燃料電池ス
タックＤにおけるコストの約３／４である。従って部品
代では約２５％のコストダウンが実現できる。

【００６１】また、燃料電池スタックＪにおいては、パ
ッキンが一体化されている箇所の断面形状が凹形状とな
っていることから、パッキングのズレが殆ど生じない。
このため、単位電池Ｉを積層して燃料電池スタックＦを
製作するために要する時間は約２．５日間となる。従っ
て、燃料スタックＣよりも更に短い時間で積層すること
ができ、さらに飛躍的なコストダウンを達成できる。

【００６２】なお、本発明は、上記のような実施の形態
に限定されるものではなく、各部材の材質、数、大き
さ、形状等は適宜変更可能である。例えば、パッキング
の材料としてＥＰＭを用いてもよい。また、燃料ガス流
路溝、酸化剤ガス流路溝、冷却水流路溝の本数、幅、形
状等は、設計の段階で自由に変更可能である。また、単
位電池の積層数も、自由に増減変更可能である。さら
に、各請求項記載の発明の組み合わせも自由である。

【００６３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、高性能を維持しつつも、製造時の作業性に優れ、製
造コストを節約可能な固体高分子型燃料電池を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施の
形態における単位電池の構成を示す断面図である。

【図２】図１の単位電池の分解斜視図である。

【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施の
形態における酸化剤用セパレータの構成を示す平面図
と、Ａ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ
−Ｄ断面図である。

【図４】比較例として用いた固体高分子型燃料電池にお
ける単位電池の構成を示す分解斜視図である。

【図５】図４の単位電池の断面図である。

【図６】本発明の固体高分子型燃料電池の第２の実施の
形態及び第４の実施の形態におけるセパレータを示す平
面図と、Ａ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及
びＤ−Ｄ断面図である。

【図７】図６のＥ部の拡大図である。

【図８】本発明の固体高分子型燃料電池の第３の実施の
形態におけるセパレータを示す平面図と、Ａ−Ａ断面
図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図であ
る。

【図９】従来の固体高分子型燃料電池における膜電極複
合体を示す断面図である。

【図１０】図９の平面図である。

【図１１】従来の固体高分子型燃料電池における単位電
池を示す分解断面図である。第１

【図１２】図１１の単位電池に用いられるセパレータを
示す平面図である。

【図１３】図１２のセパレータのＸ−Ｘ断面図である。

【図１４】図１２のセパレータにパッキングを重ねた状
態を示す平面図である。

【図１５】図１４のセパレータとパッキングのＹ−Ｙ分
解断面図である。

【図１６】図１１の単位電池を積層した燃料電池スタッ
クを示す断面図である。

【符号の説明】 １…高分子電解質膜 ２…燃料極 ３…酸化剤極 ４…セパレータ ５，２７…燃料ガス流路溝 ６，３７…酸化剤ガス流路溝 ７，２１，３１，４１，Ｓ１…燃料ガス供給孔 ８，２４，３４，４４，Ｓ４…燃料ガス排出孔 ９，２２，３２，４２，Ｓ２…酸化剤ガス供給孔 １０，２５，３５，４５，Ｓ５…酸化剤ガス排出孔 １１，２３，３３，４３，Ｓ３…冷却水供給孔 １２，２６，３６，４６，Ｓ６…冷却水排出孔 １３…パッキング １４…単位電池 ２０…燃料ガス用セパレータ ３０…酸化剤ガス用セパレータ ４０…冷却用セパレータ ４７…冷却水流路溝 Ｓ…膜電極複合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗内 篤夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 堀 美知郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX08 EE18

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子膜の両面に、触媒層を含む一
   対の電極をそれぞれ配置してなる単位電池を、ガス不透
   過性で導電性の材料から成るセパレータによって挟持し
   た固体高分子型燃料電池において、 前記セパレータには、流体をシールする加硫ゴム製のパ
   ッキングが一体化されていることを特徴とする固体高分
   子型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記セパレータには凹部が形成され、 前記パッキングは前記凹部に嵌め込まれていることを特
   徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
3. 【請求項３】 前記パッキングがエチレンプロピレンゴ
   ムであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
   固体高分子型燃料電池。
4. 【請求項４】 前記パッキングがシリコーンゴムである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体高分
   子型燃料電池。
5. 【請求項５】 前記パッキングが水素化ニトリルゴムで
   あることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体
   高分子型燃料電池。
6. 【請求項６】 前記パッキングが、加硫接着によりセパ
   レータと一体化されていることを特徴とする請求項１〜
   ５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
7. 【請求項７】 前記パッキングが、耐熱性両面テープに
   よりセパレータと一体化されていることを特徴とする請
   求項１〜５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電
   池。