JP2006196426A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄板型セパレータを用いてガス流路の密封性を確保できる燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極の間に配置してなる電極膜接合体（ＭＥＡ）２と、この電極膜接合体２に沿って燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導く各ガス流路と、この各ガス流路を仕切る対のセパレータ３と、電極膜接合体２及び各セパレータ３を貫通して燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導くマニホールドと、電極膜接合体２及び各セパレータ３の間に画成され燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導く各マニホールド連通路１３とを備える燃料電池において、各マニホールド連通路１３に各セパレータ３と電極膜接合体２に接するシール反力受け部材２０を介装し、このシール反力受け部材２０が各セパレータ３に付与されるシール反力を支える構成とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、薄板型セパレータを介して電極膜接合体を積層する燃料電池の改良に関するものである。

燃料電池は、セルと呼ばれる発電素子を複数並べて接続し、燃料電池スタックとして使用するのが一般的である。このセルは、水素イオンを通す電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極で狭持し、その両側をセパレータで囲む構造である。酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互いに独立して供給されると、水素ガスはアノード側電極によって水素イオンとなり、電解質膜を通過してカソード側電極側に移動する。このとき水素は電子を放出しそれが電位差を生じさせる。電位差は一つのセル当りでありわずかであるが、多数のセルを積層して直列接続することで高い電圧が得られる。

燃料電池の出力密度を向上させるために、ガス流路等を仕切るセパレータを薄板状に形成したがものある。

従来、この種の燃料電池として、金属セパレータに圧縮シールを組み合わせたものが特許文献１に開示されている。また、コルゲート構造をした金属セパレータが特許文献２に開示されている。
特開２００１−３３２２７５号公報 特開平１１−３５４１４２号公報

しかしながら、このような薄板状のセパレータを用いた従来の燃料電池にあっては、セパレータの剛性が低いと、シール反力によってセパレータが撓んでしまい、流路断面積が減少して圧力損失の増加したり、シール不良を招くという問題点があった。

この種の燃料電池は、セパレータによって画成されマニホールドとガス流路、冷却媒体流路の間にマニホールド連通路が設けられており、このマニホールド連通路に重合する部位でセパレータが撓みやすいため、上記のシール不良の問題が発生しやすい。

また、例えば薄板型の金属セパレータから突出するリブをプレス加工によって形成し、このリブを介してシール反力を支持する構造とした場合、リブが突出した背面は凹状に窪むため、この背面でシール面を構成することが難しいという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、薄板型セパレータを用いてガス流路の密封性を確保できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極の間に配置してなる電極膜接合体と、この電極膜接合体に沿って燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導く各ガス流路と、この各ガス流路に沿って冷却媒体を導く冷却媒体流路と、各ガス流路及びこの冷却媒体流路を仕切るセパレータと、電極膜接合体及びこのセパレータを貫通して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をそれぞれ導くマニホールドと、セパレータによって画成されこのマニホールドと各ガス流路、冷却媒体流路の間に設けられ燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をそれぞれ導く各マニホールド連通路とを備え、電極膜接合体とセパレータを圧縮シールを介して積層する。

そして、各マニホールド連通路の少なくとも一つにセパレータに接するシール反力受け部材を介装し、このシール反力受け部材が圧縮シールからセパレータに付与されるシール反力を支える構成とする。

本発明の燃料電池は、各マニホールドとマニホールド連通路を通って各ガス流路を流れる燃料ガス、酸化剤ガスがアノード側電極とカソード側電極にそれぞれ導かれることにより、電極膜接合体に起電力を生じる。

シール反力受け部材は各セパレータと電極膜接合体に接し、圧縮シールを介して各セパレータと電極膜接合体が受けるシール反力を支える。これにより、マニホールド連通路の背後に位置する部位で圧縮シールと電極膜接合体またはセパレータの間に隙間が空くことが回避され、各ガス流路の密封性が確保される。さらに、セパレータまたは電極膜接合体を薄肉化することが可能になり、燃料電池の小型軽量化がはかれる。

まず、図１に本発明が適用可能な燃料電池の一例を示す。この燃料電池は例えば自動車に搭載するものである。

図１は、起電力を生じる単位燃料電池としてのセルの概略的な構造を示す斜視図である。燃料電池は、このセルを複数積層することにより構成する。

このセルは、電解質膜１００の両側に、アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃを配置してなる膜−電極接合体を備える。

電解質膜１００としては、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂によりなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いる。この電解質膜１００は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃを、電解質膜１００側から電極触媒層、撥水層、及び、ガス拡散層とで構成する。

電極触媒層は、触媒、例えば、白金又は白金と他の金属からなる合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を、前記撥水層の表面に一様に塗布してなる。電極触媒層は、互いに電解質膜１００を介装して対向するように、電解質膜１００の両面に接合する。

撥水層は、撥水性を調整すると共に、ガス拡散層の表面の平滑性を向上させる。撥水層は、撥水材と導電材とを含んでおり、撥水材としては、フッ素樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等からなる。

ガス拡散層は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又は、カーボンフエルト等からなる。

アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃは、触媒面へのガス拡散機能と電極としての機能を有する。なお、電極触媒層は、撥水層に担持されて電極を形成する場合に限られず、電解質膜１００の表面に担持されて電極を形成してもよい。その場合、ガス拡散層は、表面に積層した撥水層とガス拡散層接合体を形成する。

アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃの外周には、圧縮シール（ガスケット）１０２ａ、１０２ｃをそれぞれ配置する。圧縮シール１０２ａ、１０２ｃは、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ又はフッ素ゴム等を用いる。圧縮シール１０２ａ、１０２ｃは、セパレータ１０３ａ、１０３ｃと一体化していてもよい。また、弾性係数の大きい薄板材料、例えば、ポリカーボネ-ト、ポリエチレンテレフタレート等と一体化してもよい。圧縮シール１０２ａ、１０２ｃは、前記各部品を積層した際に、電解質膜１００とセパレータ１０３ａ、１０３ｃの隙間を保持し、膜−電極接合体とセパレータ１０３ａ、１０３ｃの間のガスをシールする役割を担う。

アノード側電極１０１ａ、カソード側電極１０１ｃの外側には、それぞれセパレータ１０３ａ、１０３ｃを配置する。薄板型のセパレータ１０３ａ、１０３ｃは、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば金属材料等からなる薄板をプレスすることにより形成する。セパレータ１０３ａ、１０３ｃは、十分な耐食性が実現可能であれば、金属等の他の材料を用いてもよい。

セパレータ１０３ａの表面には、アノード側電極１０１ａとの間に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するための、燃料ガス流路１０４ａ（図示省略）を設ける。セルには燃料ガスを供給するマニホールド１０７と余剰の燃料ガスを排出するマニホールド１０８がそれぞれ貫通して設けられる。このマニホールド１０７から供給される燃料ガスが後述するマニホールド連通路１１３を通って燃料ガス流路１０４ａに流入する。一方、燃料ガス流路１０４ａを通過した余剰の燃料ガスは後述するマニホールド連通路１１３を通ってマニホールド１０８から排出される。セパレータ１０３ａのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路１０５ａを設ける。

セパレータ１０３ｃの表面には、カソード側電極１０１ｃとの間に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための、酸化剤ガス流路１０４ｃを設ける。セルには酸化剤ガスを供給するマニホールド１０９と余剰の酸化剤ガスを排出するマニホールド１１０がそれぞれ貫通して設けられる。このマニホールド１０７から供給される酸化剤ガスが後述するマニホールド連通路１１３を通って酸化剤ガス流路１０４ｃに流入する。一方、酸化剤ガス流路１０４ｃを通過した余剰の酸化剤ガスは後述するマニホールド連通路１１３を通ってマニホールド１１０から排出される。セパレータ１０３ｃのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路１０５ｃ（図示省略）を設ける。

セルには冷却媒体が供給されるマニホールド１１１と、冷却媒体が排出されるマニホールド１１２がそれぞれ貫通して設けられ、冷却媒体流路１０５ａ、１０５ｃに冷却媒体が循環するようになっている。

以下、セルにおける発電反応について説明する。燃料ガスを、マニホールド１０７から供給される燃料ガスは、各セルのセパレータ１０３ａから燃料ガス流路１０４ａを介してアノード側電極１０１ａに導かれる。そして、アノード側電極１０１ａにおける発電反応により、プロトン及び電子を生成する。プロトンは電解質膜１００を透過してカソード側へ移動し、電子は集電板を介して外部回路へ流れる。反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは、マニホールド１０８から排出される。

一方、酸化剤ガスを、マニホールド１０９から供給される酸化剤ガスは、各セルのセパレータ１０３ｃから酸化剤ガス流路１０４ｃを介してカソード側電極１０１ｃに導かれる。そして、アノード側の発電反応により生じたプロトン及び外部回路からの電子と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、マニホールド１１０から排出される。

燃料電池は、各セルを積層したセル積層体と、このセル積層体を締結する締結機構を備える。この締結機構は、セル積層体の積層方向両端を挟持する対のエンドプレートと、各エンドプレートどうしを締結する複数のテンションロッドとを備え、セパレータ１０３ａ、アノード側電極１０１ａ、電解質膜１００、カソード側電極１０１ｃ、セパレータ１０３ｃどうしを密着する。

ところで、プレス加工によって形成される薄板型のセパレータ１０３ａ、１０３ｃは、ガス流路１０４ａ、１０４ｃ、冷却媒体流路１０５ａ、１０５ｃが形成される部位ではコルゲート構造をしているため、各圧縮シール１０２ａ、１０２ｃから各セパレータ１０３ａ、１０３ｃに付与されるシール反力に対して十分な剛性が確保される。

しかしながら、薄板型のセパレータ１０３ａ、１０３ｃはマニホールド連通路１１３が画成される部位に圧縮シールが介装されていないため、各圧縮シール１０２ａ、１０２ｃから各セパレータ１０３ａ、１０３ｃに付与されるシール反力に対してこのマニホールド連通路１１３を画成する部位で剛性が不足する可能性がある。

これに対処して本発明は、マニホールド連通路にセパレータに接するシール反力受け部材を介装し、このシール反力受け部材がセパレータに付与されるシール反力を受ける構成とする。

図２の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ燃料電池の概略的な構造を示す断面図である。図中、２は電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配置してなる電極膜接合体（ＭＥＡ）、３は薄板型のセパレータ、４はガス流路、５は冷却媒体流路、７は圧縮シール、９，１０，１１はマニホールド、１３はマニホールド連通路である。

マニホールド９，１０と各ガス流路４を連通するマニホールド連通路１３は、電極膜接合体２とセパレータ３の間に画成され、燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導くものである。マニホールド１１と冷却媒体流路５を連通する各マニホールド連通路１３は、各セパレータ３の間に画成され、冷却媒体を導くものである。

各マニホールド連通路１３に各セパレータ３と電極膜接合体２に接するシール反力受け部材２０、各セパレータ３に接するシール反力受け部材２０をそれぞれ介装し、この各シール反力受け部材２０が各圧縮シール７から各セパレータ３に付与されるシール反力を支える構成とする。

各シール反力受け部材２０は、各マニホールド連通路１３が画成される矩形の領域に配置される。各シール反力受け部材２０が対峙する各セパレータ３の背後に各圧縮シール７が延びている。

図３は、シール反力受け部材２０の概略的な構造を示す断面図である。シール反力受け部材２０は各セパレータ３に対して略直交する方向に延びる複数のリブ２１を備え、各リブ２１の間に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を通す流路を画成する。

各リブ２１の両端部は各セパレータ３もしくは電極膜接合体２に接する。各リブ２１によって各圧縮シール７のシール反力を支える構成とする。

各リブ２１は所定の間隔で略平行に並ぶ。各リブ２１の間隔は、圧縮シール７のシール反力、ピーク面圧、セパレータ３または電極膜接合体２の物性値、断面形状、許容たわみ量等によって決められる。

以上のように構成されて、次に作用について説明する。

燃料電池は、各マニホールド９，１０、マニホールド連通路１３を通って各ガス流路４を流れる燃料ガス、酸化剤ガスがアノード側電極とカソード側電極にそれぞれ導かれ、電極膜接合体２に起電力を生じる。そして、各マニホールド１１、マニホールド連通路１３を通って各冷却媒体流路５を流れる冷却媒体が電極膜接合体２に生じる熱を持ち去る。

各マニホールド連通路１３を通過する燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体は、シール反力受け部材２０の各リブ２１の間に画成される流路を通って流れる。

シール反力受け部材２０の各リブ２１はその両端部が各セパレータ３もしくは電極膜接合体２に接し、各圧縮シール７が各セパレータ３に与えるシール反力を支える。これにより、マニホールド連通路１３の背後に位置する部位でも各圧縮シール７と各セパレータ３または電極膜接合体２の間に隙間が空くことが回避され、各ガス流路４と各冷却媒体流路５の密封性が確保される。また、セパレータ３を薄肉化しても、マニホールド連通路１３を画成する部位に十分な剛性が確保されるため、燃料電池の小型軽量化がはかれる。

シール反力受け部材２０は各リブ２１の両端部が各セパレータ３と電極膜接合体２にそれぞれ接する構造のため、シール反力受け部材２０が各マニホールド連通路１３に占める断面積を小さく抑えられ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の流れに与える抵抗を減らし、圧力損失を小さく抑えられる。

次に図４に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０は、１枚の板状のプレート２２と、このプレート２２から略直交方向に突出する複数のリブ２３を備え、各リブ２３の間に燃料ガス、酸化剤ガスを通す流路を画成する。

シール反力受け部材２０は、板状のプレート２２を電極膜接合体２に平面状に接し、各リブ２３の先端部をセパレータ３に接するように介装され、プレート２２と各リブ２３によって各圧縮シール７のシール反力を支える構成とする。

各リブ２３は所定の間隔で略平行に並ぶ。各リブ２３の間隔は、圧縮シール７のシール反力、ピーク面圧、セパレータ３の物性値、断面形状、許容たわみ量等によって決められる。図４に示すシール反力受け部材２０は、各リブ２３の一端に１枚の板状のプレート２２を有することにより、図３に示すシール反力受け部材２０よりリブ２３の間隔を大きくすることができる。

燃料電池はマニホールド連通路１３に面する部位においてセパレータ３より電極膜接合体２の剛性が低い。これに対応して、シール反力受け部材２０は、板状のプレート２２が電極膜接合体２に平面状に接し、電極膜接合体２が受ける圧縮シール７のシール反力を支えるとともに、各リブ２３がセパレータ３に接し、セパレータ３が受ける圧縮シール７のシール反力を支えることにより、マニホールド連通路１３の背後に位置する部位でも各圧縮シール７と各セパレータ３または電極膜接合体２の間に隙間が空くことが回避され、各ガス流路４と各冷却媒体流路５の密封性が確保される。また、電極膜接合体２またはセパレータ３を薄肉化して燃料電池の小型軽量化がはかれる。

シール反力受け部材２０は、板状のプレート２２から略直交方向に突出する複数のリブ２３を備え、各リブ２３の先端部が各セパレータ３にそれぞれ接する構造のため、シール反力受け部材２０が各マニホールド連通路１３に占める断面積を小さく抑えられ、燃料ガス、酸化剤ガスの流れに与える抵抗を減らし、圧力損失を小さく抑えられる。

次に図５に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０は、２枚の板状のプレート２２，２４と、この各プレート２２，２４から略直交方向に突出する複数のリブ２３を備え、各リブ２３の間に燃料ガス、酸化剤ガスを通す流路を画成する。

シール反力受け部材２０は、板状のプレート２２が電極膜接合体２に平面状に接し、電極膜接合体２が受ける圧縮シール７のシール反力を支えるとともに、板状のプレート２４がセパレータ３に平面状に接し、セパレータ３が受ける圧縮シール７のシール反力を支える。

各リブ２３は所定の間隔で略平行に並ぶ。各リブ２３の間隔は、圧縮シール７のシール反力、ピーク面圧、セパレータ３の物性値、断面形状、許容たわみ量等によって決められる。図５に示すシール反力受け部材２０は、各リブ２３の両端に２枚の板状の各プレート２２，２４を有することにより、図４に示すシール反力受け部材２０よりリブ２３の間隔を大きくすることができる。このため、シール反力受け部材２０が各マニホールド連通路１３に占める断面積を小さく抑えられ、燃料ガス、酸化剤ガスの流れに与える抵抗を減らし、圧力損失を小さく抑えられる。

次に図６に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０は、その表裏に溝２５，２６を有するコルゲート状に形成する。各溝２５，２６は断面矩形に形成され、互いに平行に延びている。シール反力受け部材２０は、各溝２５，２６を仕切る複数のリブ２９と、各リブ２９を結んで各溝２５，２６を画成する底部２７，２８とを有する。各リブ２９と各底部２７，２８はそれぞれ平板状に形成される。

シール反力受け部材２０は、溝２５の底部２７が電極膜接合体２に平面状に接し、電極膜接合体２が受ける圧縮シール７のシール反力を支えるとともに、溝２６の底部２８がセパレータ３に平面状に接し、セパレータ３が受ける圧縮シール７のシール反力を支える。

シール反力受け部材２０を金属製の薄板をプレス加工により形成することにより、リブ２９の枚数を増やしてもシール反力受け部材２０が各マニホールド連通路１３に占める断面積を小さく抑えられ、燃料ガス、酸化剤ガスの流れに与える抵抗を減らし、圧力損失を小さく抑えられる。

次に図７に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０をセパレータ３にプレス形成した流路リブ３ａ，３ｂと圧縮シール７によって位置決めする。

流路リブ３ａはマニホールド９とシール反力受け部材２０の間に突出し、シール反力受け部材２０の位置がマニホールド９側にずれることを規制する。流路リブ３ｂはガス流路４を画成するように突出し、シール反力受け部材２０の位置がガス流路４側にずれることを規制する。

これにより、セパレータ４に対するシール反力受け部材２０の位置決めが行われ、これらを積層するスタッキング工程を容易に行うことができる。

次に図８に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

マニホールド９，１０と各ガス流路４を連通する各マニホールド連通路１３は、その流路断面積がマニホールド９，１０から各ガス流路４に向けて次第に増加している。マニホールド９，１０からこの各マニホールド連通路１３を通って各ガス流路４に向かう燃料ガス、酸化剤ガスの流れは上流から下流にかけて次第に拡がるものとなる。

この各マニホールド連通路１３に介装されるシール反力受け部材２０は各セパレータ３に対して略直交する方向に延びる複数のリブ２１を備え、この各リブ２１を互いに傾斜させ燃料ガス、酸化剤ガスの流れ方向に沿うように配置した。

マニホールド１１と冷却媒体流路５を連通する各マニホールド連通路１３は、その流路断面積がマニホールド１１から冷却媒体流路５に向けてその途中から次第に増加している。マニホールド１１からこのマニホールド連通路１３を通って冷却媒体流路５に向かう冷却媒体の流れは上流から下流にかけて途中から次第に拡がるものとなる。

この各マニホールド連通路１３に介装されるシール反力受け部材２０は各セパレータ３に対して略直交する方向に延びる複数のリブ２１を備え、この各リブ２１を互いに傾斜させ燃料ガス、酸化剤ガスの流れ方向に沿うように放射状に配置した。

これにより、シール反力受け部材２０は各リブ２１を介して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の流れを円滑に案内し、この流れに与える抵抗を減らし、圧力損失を小さく抑えられる。

他の実施の形態として、シール反力受け部材２０の表面に親水材料を設ける親水性処理を施しても良い。この親水材料としては、例えば界面活性剤、ＳｉＯ2 やＴｉＯ2 等の酸化物が用いられる。

この場合、セパレータ３と別体で設けられるシール反力受け部材２０の表面に親水性処理を施すことにより、水が反応面に詰まることなく排出され、水詰まりによる発電性能の低下、劣化等を抑えられる。

他の実施の形態として、シール反力受け部材２０の表面に撥水材料を設ける撥水性処理を施しても良い。

この場合、セパレータ３と別体で設けられるシール反力受け部材２０の表面に撥水性処理を施すことにより、水が反応面に詰まることなく排出され、水詰まりによる発電性能の低下、劣化等を抑えられる。

次に図９、図１０に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

図９の（ａ）はセパレータ３及びシール反力受け部材３１，３２の概略構成を示す断面図である。入口側マニホールド１０から導かれる酸化剤ガスはマニホールド連通路１３、ディフューザ部１５を経てガス流路４に導かれ、発電反応に消費される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、ディフューザ部１５、マニホールド連通路１３を経て出口側マニホールド１０より排出される。各マニホールド連通路１３には上流側シール反力受け部材３１と下流側シール反力受け部材３２がそれぞれ介装されている。

図９の（ｂ）に示すように、各シール反力受け部材３１，３２はその表裏に溝を有するコルゲート状に形成される。各シール反力受け部材３１，３２はその両端部が各セパレータ３もしくは電極膜接合体２に接し、各圧縮シールが各セパレータ３に与えるシール反力を支える。これにより、マニホールド連通路１３の背後に位置する部位でも各圧縮シールと各セパレータ３または電極膜接合体２の間に隙間が空くことが回避され、各ガス流路４と各冷却媒体流路５の密封性が確保される。

図１０は、各セパレータ３のアノード側及びカソード側の概略構造を示した分解図である。アノード及びカソードの反応面は電解質膜を挟んで反応ガスがカウンターで流れる構造を有する。

上述したように、酸化剤ガスが流れるアノード側各マニホールド連通路１３には上流側、下流側シール反力受け部材３１，３２がそれぞれ介装されている。

水素ガスが流れるカソード側各マニホールド連通路１３には上流側、下流側シール反力受け部材３３，３４がそれぞれ介装される。

冷却媒体が流れる各マニホールド連通路１３には上流側、下流側シール反力受け部材３５，３６がそれぞれ介装される。

ところで、酸化剤ガスが流れるアノード側では、下流側より上流側で反応が激しく、上流側シール反力受け部材３１において腐食が発生すると、これに伴う陽イオン等が反応面全体に拡散し、性能劣化の原因になる。

これに対処して、アノード側では、反応が激しい上流側シール反力受け部材３１の耐食性を下流側シール反力受け部材３２より高くする。

表１はアノード側に設けられる上流側、下流側シール反力受け部材３１，３２の材質及び表面処理の組み合わせ例を示す表である。

上流側シール反力受け部材３１は、パターン１、２として、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）を母材とし、貴金属メッキ（例えば金メッキ）を施すか、腐食を防止するための塗料を塗る。パターン３として、上流側シール反力受け部材３１を腐食しにくいチタンで形成する。パターン４、５として、要求される強度、変形量を満たす場合、上流側シール反力受け部材３１を腐食しない樹脂で形成することも可能である。

下流側シール反力受け部材３２は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）または樹脂で形成する。下流側シール反力受け部材３２は、チタンを使用することができるが、チタンより安価なステンレス鋼を用いることにより、製品のコストダウンがはかれる。上流側、下流側シール反力受け部材３１，３２の形状が同一のものであれば上流側、下流側シール反力受け部材３２を共に樹脂製の部材を使用することにより、製品のコストダウンがはかれる。

本実施例では、上流側、下流側シール反力受け部材３１，３２が反応エリア３９及び触媒塗布範囲に配置されていないため、上流側、下流側シール反力受け部材３１，３２に導通性を持たせる必要がない。このため、高価な貴金属メッキ等よりも絶縁性の表面処理を施すことや樹脂部材を使用することが可能となる。

一方、水素ガスが流れるカソード側では、上流側より下流側で水が多く存在し、腐食が発生しやすい。

これに対処して、カソード側では、腐食しやすい下流側シール反力受け部材３４の耐食性を上流側シール反力受け部材３３より高くする。

表２はカソード側に設けられる上流側、下流側シール反力受け部材３３，３４の材質及び表面処理の組み合わせ例を示す表である。

下流側シール反力受け部材３４は、パターン１、２として、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）を母材とし、貴金属メッキ（例えば金メッキ）を施すか、腐食を防止するための塗料を塗る。パターン３として、下流側シール反力受け部材３４を腐食しにくいチタンで形成する。パターン４として、要求される強度、変形量を満たす場合、下流側シール反力受け部材３１を腐食しない樹脂で形成することも可能である。パターン５として、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）で形成することも可能である。

上流側シール反力受け部材３３は、パターン１、２、３として、チタンにより形成し、パターン４、５として樹脂により形成する。

電位の高いカソード側で、水が多く存在する反応面下流に配置される下流側反力受け部材３４は他の部位よりも腐食環境が激しいと考えられる。このため、下流側反力受け部材３４の耐食性を高めることによって、長期にわたる信頼性の確保が可能になる。また、特にカソード側の排出液滴を回収し再利用するシステムの場合は、カソード側からの溶出イオンが低減されるため、フィルターやイオン交換膜等の設置が不要になる。

上流側、下流側シール反力受け部材３３，３４の形状が同一のものであれば上流側、下流側シール反力受け部材３２を共に樹脂製の部材を使用することにより、製品のコストダウンがはかれる。

このカソード側においてもアノード側と同様に、上流側、下流側シール反力受け部材３３，３４が反応エリア３９及び触媒塗布範囲に配置されていないため、上流側、下流側シール反力受け部材３３，３４に導通性を持たせる必要がない。このため、高価な貴金属メッキ等よりも絶縁性の表面処理を施すことや樹脂部材を使用することが可能となる。

本実施例ではステンレス鋼としてＳＵＳ３１６を使用しているが、公知で知られたオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系等の種々の材質を用いてもよい。

他の実施の形態として、セパレータをプレス加工する際に、マニホールドの穴を打ち抜いた円盤状部材を加工し、マニホールド連通路に介装されるシール反力受け部材として用いることも可能である。この円盤状部材の切断面は母材が露出するため、耐食部材にて被覆することが望ましい。

次に図１１に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

この燃料電池はマニホールド９，１０とガス流路４が互いに近接しており、電極膜接合体２上の反応エリア３９の一部が上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１上に配置されている。この場合、発電時に上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１の腐食環境はセパレータ３に比べて厳しいものになるが、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１をセパレータ３より耐食性の高い構成とする。

表３に上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１の材質及び表面処理の組み合わせ例を示すものである。

パターン１として、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１はステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）を母材とし、貴金属メッキ（例えば金メッキ）を施す。パターン２として、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１はステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）を母材とし、導電性塗料を塗布する。パターン３として、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１をチタンにより形成する。パターン５として、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１をセパレータ３の母材で形成する。パターン５の例は、セパレータ３をプレス加工する際に、マニホール９ドの穴を打ち抜いた円盤状部材を加工して形成すことも可能である。

電極膜接合体２で発電で発生した電流はＧＤＬ（ガス拡散層）４２からセパレータ３のリブを介して流れるが、本実施例の場合、上流側、下流側シール反力受け部材４０，４１にも導通性を持たせることにより、発電エリアにおける見かけの接触面積が増大し、セル抵抗の低減がはかれる。

次に図１２〜１４に示す他の実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

図１２に、燃料電池に対する流体の流れ方向を示すように、電極膜接合体２を挟んで水素と酸化剤ガスとして空気（Ａｉｒ）をカウンターフローで流し、冷却液（ＬＬＣ）を空気の流れと同方向に流す。図１３に空気と冷却液を隔てるセパレータ３の温度分布を示すように、空気流の上流から下流にかけて温度が上昇する温度勾配が生じ、この温度は反応エリアの終点で最大となる。

本実施例では、冷却液流の下流側に配置されるシール反力受け部材の熱交換性能を、冷却液流の上流側に配置されるシール反力受け部材より高める構成とする。

具体的には、図１４の（ａ）に示すように、冷却液流の上流側に配置されるシール反力受け部材６１に形成されるリブ６３のチャンネルピッチに対して、図１４の（ｂ）に示すように、冷却液流の下流側に配置されるシール反力受け部材６２のリブ６４のチャンネルピッチを小さく形成する。

冷却液は反応ガスのように上下流で流体体積が変わることが少ないため、下流のシール反力受け部材６２上に形成される流路断面が上流の流路断面以下で、かつ圧力損失の許容範囲内でリブ６４のチャンネルピッチを小さくする。

これにより冷却液流の下流側に配置されるシール反力受け部材６２の冷却液との接触面積を大きくし、熱交換性能を高めることが可能になる。

なお、シール反力受け部材６２のリブ６４の表面を例えばブラスト法等によって荒らすことにより、熱交換性能を高めることが可能である。

次に図１５に示す他の実施形態を説明する。なお、実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０はそのベース部分に樹脂からなるバネ部７１を備える。シール反力受け部材２０は、このバネ部７１を持つことによって、その積層前にてセパレータ３に対して略直交する積層方向の自由長がその介装スペースの断面幅より大きく形成され、その積層後にて圧縮シール７からセパレータ３に付与されるシール反力によって圧縮方向に弾性変形する。

図１５は、シール反力受け部材２０の概略的な構造を示す断面図である。シール反力受け部材２０は、セパレータ３もしくは電極膜接合体２に沿って延びる板状のバネ部７１と、このバネ部７１に沿って延びる板状のプレート７２と、このプレート７２から略直交方向に突出する複数のリブ７３を備え、各リブ７３の間に燃料ガス、酸化剤ガスを通す流路を画成する。

バネ部７１はセパレータ３もしくは電極膜接合体２よりも弾性率の高い樹脂材によって形成される。

シール反力受け部材２０は、板状のバネ部７１をセパレータ３もしくは電極膜接合体２に平面状に接し、各リブ７３の先端部をセパレータ３に接するように介装され、各圧縮シール７のシール反力を支える構成とする。

以上のように構成されて、次に作用について説明する。

燃料電池は、前記図８に示すように、各マニホールド９，１０、マニホールド連通路１３を通って各ガス流路４を流れる燃料ガス、酸化剤ガスがアノード側電極とカソード側電極にそれぞれ導かれ、電極膜接合体２に起電力を生じる。そして、各マニホールド１１、マニホールド連通路１３を通って各冷却媒体流路５を流れる冷却媒体が電極膜接合体２に生じる熱を持ち去る。

各マニホールド連通路１３を通過する燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体は、シール反力受け部材２０の各リブ７３の間に画成される流路を通って流れる。

シール反力受け部材２０は、積層方向の自由長がその介装スペースの断面幅より大きく形成されているため、その積層後にて圧縮シール７からセパレータ３に付与されるシール反力によってバネ部７１が圧縮方向に弾性変形する。このため、シール反力受け部材２０は、バネ部７１の弾性復元力によりシール反力受け部材２０の各リブ７３の先端部が各セパレータ３に接し、バネ部７１がセパレータ３もしくは電極膜接合体２に接し、シール反力受け部材２０とセパレータ３もしくは電極膜接合体２の間に隙間が空くことを回避する。これにより、シール反力受け部材２０は、セパレータ３もしくは電極膜接合体２の一方に片当たりすることがなく、各圧縮シール７が各セパレータ３に与えるシール反力を確実に支え、各ガス流路４の密封性を確保する。

これに対して、シール反力受け部材２０をセパレータ３もしくは電極膜接合体２よりも弾性率の低い剛体で形成した場合、シール反力受け部材２０の積層方向の自由長をその介装スペースの断面幅に対して高い精度を持って一致させる必要がある。このため、燃料電池は各部の寸法誤差等に起因して、シール反力受け部材２０とセパレータ３もしくは電極膜接合体２の間に隙間が生じやすくなり、各ガス流路４の密封性を確保することが難しい。

また、シール反力受け部材２０がセパレータ３もしくは電極膜接合体２よりも柔らかいため、電極膜接合体２に付与する面圧が過大になることを回避でき、電極膜接合体２の発電性能を損なわないで済む。

次に図１６、図１７に示す他の実施形態を説明する。なお、実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

圧縮シール７とシール反力受け部材２０をセパレータ３もしくは電極膜接合体２よりも弾性率の高い樹脂材によって一体形成し、圧縮シール７とシール反力受け部材２０の間にセパレータ３の穴７５を貫通するシール連結部７４を形成する。

シール反力受け部材２０はセパレータ３からリブ状に突出し、その先端部がセパレータ３もしくは電極膜接合体２に接し、その間を燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体が図１６に矢印で示すように流れる。

シール反力受け部材２０は、積層方向の自由長をその介装スペースの断面幅より大きく形成し、その積層後にて圧縮シール７からセパレータ３に付与されるシール反力によって圧縮方向に弾性変形する。これにより、シール反力受け部材２０は、セパレータ３もしくは電極膜接合体２の一方に片当たりすることがなく、各圧縮シール７が各セパレータ３に与えるシール反力を確実に支える。

セパレータ３の穴７５を貫通するシール連結部７４を圧縮シール７の中心線Ｏに対してオフセットして形成する。これにより、シール連結部７４に断面形状が変化する部位がシール反力受け部材２０の中心部から離れるため、シール反力受け部材２０の中心部に成型不良部が生じることを抑えられ、各ガス流路４の密封性を確保することができる。

圧縮シール７とシール反力受け部材２０はセパレータ３を挟んで一体成型することにより、燃料電池の部品点数を削減し、生産性を高められる。

圧縮シール７とシール反力受け部材２０はこれらの間にセパレータ３の穴７５を貫通するシール連結部７４が介在することにより、圧縮シール７とシール反力受け部材２０がセパレータ３に対して所定位置に固定され、品質の向上がはかられる。

次に図１８に示す他の実施形態を説明する。なお、実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

シール反力受け部材２０は金属板をコルゲート状にプレス成型して形成され、その途中に階段状に曲折したバネ部７７を有する。金属によって形成されるバネ部７７は圧縮シール７からセパレータ３に付与されるシール反力によって圧縮方向に弾性変形する。

この場合、シール反力受け部材２０はバネ部７７を金属によって形成したことにより、その耐熱性を高められ、高温下においても各ガス流路４の密封性を維持することができる。

また、シール反力受け部材２０がセパレータ３もしくは電極膜接合体２に対して付与する反力を積層方向の位置によって異なる値に設定しても良い。

この場合、シール反力受け部材２０が積層方向の位置によって異なる反力をセパレータ３もしくは電極膜接合体２に対して付与することにより、積層位置に応じてセパレータ３もしくは電極膜接合体２の偏りを効果的に抑えられ、各ガス流路４の密封性を高められる。

なお、セパレータ３もしくは電極膜接合体２の偏りは、積層方向の端部より中央部の方が生じやすい。

これに対応して、シール反力受け部材２０がセパレータ３もしくは電極膜接合体２に対して付与する反力を積層方向の端部より中央部が高くなるように設定しても良い。

この場合、シール反力受け部材２０が積層方向の端部より中央部で大きな反力をセパレータ３もしくは電極膜接合体２に対して付与することにより、積層位置に応じてセパレータ３もしくは電極膜接合体２の偏りを効果的に抑えられ、各ガス流路４の密封性を高められる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、例えば、セパレータの材質、加工方法、寸法、シール反力受けパーツの材質、加工方法、圧縮シールのライン取り、圧縮シールの種類、マニホールドの数は任意に設定され、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の燃料電池スタックを用いた燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車に搭載されるが、これに限らず自動車以外のものに用いてもよい。

本発明が適用可能な燃料電池の概略的な構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態を示す燃料電池の断面図。 同じくシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態においてセパレータ及びシール反力受け部材の概略構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態において各セパレータのアノード側及びカソード側の概略構造を示した分解図。 本発明の他の実施形態においてセパレータ及びシール反力受け部材の概略構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態において燃料電池に対する流体の流れ方向を示す図。 同じくセパレータの温度分布を示す線図。 同じくシール反力受け部材の平面図及び断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。 同じく図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図。 本発明の他の実施形態を示すシール反力受け部材の断面図。

符号の説明

２ 電極膜接合体（ＭＥＡ）
３ セパレータ
４ ガス流路
５ 冷却媒体流路
７ 圧縮シール
９〜１１ マニホールド
１３ マニホールド連通路
２０ シール反力受け部材
２１，２３，２９ リブ
２２，２４ 反力受け部材
３１〜３６，４０，４１，６１，６２ シール反力受け部材
７１ バネ部
７４ シール連結部
７７ バネ部

Claims (20)

1. 電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極の間に配置してなる電極膜接合体と、この電極膜接合体に沿って燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ導く各ガス流路と、この各ガス流路に沿って冷却媒体を導く冷却媒体流路と、前記各ガス流路及びこの冷却媒体流路を仕切るセパレータと、前記電極膜接合体及びこのセパレータを貫通して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をそれぞれ導くマニホールドと、前記セパレータによって画成されこのマニホールドと前記各ガス流路、前記冷却媒体流路の間に設けられ燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をそれぞれ導く各マニホールド連通路とを備え、前記電極膜接合体と前記セパレータを圧縮シールを介して積層する燃料電池において、前記各マニホールド連通路の少なくとも一つに前記セパレータに接するシール反力受け部材を介装し、このシール反力受け部材が前記圧縮シールから前記セパレータに付与されるシール反力を支える構成としたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記シール反力受け部材は前記セパレータに対して略直交する方向に延びる複数のリブを備え、この各リブの間に燃料ガス、酸化剤ガスを通す流路を画成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール反力受け部材は１枚の板状プレートとこのプレートから突出する複数のリブを備え、このプレートを前記電極膜接合体に接し、この各リブの先端部を前記セパレータに接する構造としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記シール反力受け部材は２枚の板状プレートとこの各プレートの間に延びる複数のリブを備え、この各プレートを前記電極膜接合体と前記セパレータに接する構造としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記シール反力受け部材はその表裏に溝を有するコルゲート状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記シール反力受け部材を前記セパレータにプレス形成した流路リブによって位置決めする構造としたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記シール反力受け部材を前記圧縮シールによって位置決めする構造としたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
8. 前記シール反力受け部材は前記セパレータに対して略直交する方向に延びる複数のリブを備え、この各リブを互いに傾斜させ燃料ガス、酸化剤ガスの流れ方向に沿うように配置したことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
9. 燃料ガスを導く前記ガス流路の上流側に介装される前記シール反力受け部材の耐食性を下流側に介装される前記シール反力受け部材より高める構成としたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
10. 酸化剤ガスを導く前記ガス流路の下流側に介装される前記シール反力受け部材の耐食性を上流側に介装される前記シール反力受け部材より高める構成としたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池。
11. 前記ガス流路の上流側に介装される前記シール反力受け部材と下流側に介装される前記シール反力受け部材の少なくとも一方を共に樹脂によって形成したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
12. 発電エリア内にあって前記ガス流路の上流側に介装される前記シール反力受け部材と下流側に介装される前記シール反力受け部材の少なくとも一方を導電性を有する構成としたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池。
13. 冷却媒体を導く冷却媒体流路と、この冷却媒体流路を仕切るセパレータと、このセパレータを貫通して冷却媒体を導くマニホールドと、前記セパレータによって画成され冷却媒体を導くマニホールド連通路とを備え、冷却媒体流路の下流側に介装される前記シール反力受け部材の熱伝導性を上流側に介装される前記シール反力受け部材より高める構成としたことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池。
14. 前記シール反力受け部材は前記セパレータに対して略直交する積層方向の自由長をその介装スペースの断面幅より大きく形成し、前記シール反力によって圧縮方向に弾性変形することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池。
15. 前記シール反力受け部材の少なくとも一部を前記セパレータもしくは前記電極膜接合体よりも弾性率の高い樹脂材によって形成したことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
16. 前記圧縮シールと前記シール反力受け部材を一体形成し、前記圧縮シールと前記シール反力受け部材の間に前記セパレータを貫通するシール連結部を形成したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
17. 前記シール連結部を前記圧縮シールの中心線に対してオフセットして形成したことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池。
18. 前記シール反力受け部材に前記シール反力によって圧縮変形するバネ部を金属によって形成したことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
19. 前記シール反力受け部材が前記セパレータもしくは前記電極膜接合体に対して付与する反力が積層方向の位置によって異なることを特徴とする請求項１５から１８のいずれか一つに記載の燃料電池。
20. 前記シール反力受け部材が前記セパレータもしくは前記電極膜接合体に対して付与する反力が積層方向の端部より中央部が高くなることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池。

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