JP2006269233A - 燃料電池用のセルおよびその製造方法、一対のセパレータおよびその製造方法、並びに燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用のセルの組み付け時間を短縮化し、分解容易な構成とする。
【解決手段】燃料電池用のセル１００は、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとを電気的に絶縁させて連結させ、ヒンジ構造の結合部材４０ｃ，４０ｄを形成する。次いで、第１のセパレータ１０，２０の周縁部には、シール材が載置され、次に、第１のセパレータ１０と第２のセパレータの間の凹部１６，２６に相当する位置に、接合体であるＭＥＡ３０を挟み込み、第１のセパレータ１０の絶縁ピン４４ａ，４４ｂを軸としてなるヒンジ構造の結合部材４０ａ，４０ｂのフック４２ａ，４２ｂを、第２のセパレータ２０の背面の溝５０ａ，５０ｂにそれぞれ係合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、特に、燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を一対のセパレータで挟持する燃料電池用のセルの改良に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータに挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねてスタックにして高圧電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）には酸化剤ガス、例えば主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、セパレータの表面に加工された細かい溝を通って燃料極に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオンに分解される。電子は外部回路を通って、燃料極から空気極に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオンは電解質膜を通過して空気極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、水になる。水素と酸素および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。

さらに、上述したＭＥＡを挟持する２枚のセパレータは、水素ガスと酸素ガスとを隔てる役割をする仕切り板であるとともに、積み重ねられたセルを電気的に直列に接続する機能も有する。また、２枚のセパレータの表面には細かい溝が形成され、この溝は水素含有ガスと酸素含有ガスまたは空気を流通させるガス流通路となっている。

従来のセルの構造の一例が、図５および図６に示されている。なお、図６のＡ−Ａ’線に沿った断面を図５に示す。

図５、図６に示すように、２枚のセパレータ１１０，１２０の両端には、それぞれ、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水を供給される供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水が排出される排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられ、さらに、セパレータ１１０，１２０には、供給連通孔１２ａ，１２ｂから供給された燃料ガスや酸化剤ガスをそれぞれ流通させるガス流通路１５２，１５４が設けられている。また、セパレータ１１０，１２０の対向面にはそれぞれ凹部１０６，１１６が設けられ、接合体であるＭＥＡ３０の両面周縁部には、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを隔てるためのシール材６０ａ，６０ｂが設けられており、このシール材６０ａ，６０ｂは、それぞれ接着材７０ａ，７０ｂによって、２枚のセパレータ１１０，１２０に接着されて、セルが形成されていた。

また、特許文献１には、２枚のセパレータの間に電解質・電極構造体を挟んだ後、この２枚のセパレータのそれぞれ外周縁部にシール材を設け、このシール材の絶縁部位に金属クリップを装着して単位セルを形成し、２枚のセパレータ同士の短絡を防止し、所望の発電機能を確保可能な燃料電池が提案されている。

なお、燃料電池の単位電池を積層した積層体に押圧力を作用させてコンパクト化を図る方法も提案されている（例えば、特許文献２，３，４参照）。

特開２００４−２４１２０８号公報 特公平３−１７１８６号公報 特開平９−９２３２４号公報 特開平７−２９５９２号公報

しかしながら、図５，６に示した単位セルの製造で用いた接着材７０ａ，７０ｂは、通常、硬化性の接着材であるため、例えば１セルあたり１時間程度硬化時間を要し、数十から数百の単位セルを積層してスタックを形成させ燃料電池を組み立てるのに、かなり長時間を要していた。

また、上記特許文献１に記載のように、２枚のセパレータのそれぞれの外周縁部にシール材を設けた後、そのシール材の絶縁部位に金属クリップを装着して単位セルを構成する場合、２枚のセパレータのシール工程が従来より多くなるとともに、煩雑になり、やはり燃料電池の製造時間が長時間化するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、２枚のセパレータのシール工程を簡略化して単位セルの製造時間を短縮し、その結果、燃料電池の製造時間の短縮化も図る燃料電池用のセルおよびその製造方法、一対のセパレータおよびその製造方法、並びに燃料電池を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用のセルおよびその製造方法、一対のセパレータおよびその製造方法、並びに燃料電池は以下の特徴を有する。

（１）燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルであって、前記一対のセパレータのそれぞれの周縁部に前記セパレータと一体的に形成された結合部材と、前記一対のセパレータにそれぞれ形成された結合部材同士を連結させる絶縁性の連結部材と、を備える燃料電池用のセルである。

上記構成にすることにより、一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がなく、また一対のセパレータの外周縁部にシール材を設けその後クリップ止めする手間も係らず、単位時間で単位セルを製造できる。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの位置決め作業が不要となる。さらに、燃料電池使用による劣化に伴い、仮に劣化した単位セルを交換するにあたっても、分解が容易であるため、単位セル内の特に劣化し易い接合体（ＭＥＡ）のみを交換し、再度上記同様に組み付けることによって、燃料極と空気極および一対のセパレータを再利用することができる。

（２）上記（１）に記載の燃料電池用のセルにおいて、前記一対のセパレータは、それぞれ金属基板から形成され、前記結合部材は、各セパレータと同一金属基板上に形成される燃料電池用のセルである。

セパレータおよび結合部材を金属製とし、さらに同一金属基板上に形成することによって、セパレータおよび結合部材の加工が極めて容易になる。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池用のセルにおいて、前記結合部材は、ヒンジ構造を有し、前記連結部材は、前記ヒンジ構造を開閉可能に連結する軸状部材である燃料電池用のセルである。

上記構成とすることによって、セルの開閉駆動が容易となる。

（４）上記（１）から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用のセルを積層してなる燃料電池である。

（５）燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を挟持可能な一対のセパレータであって、前記一対のセパレータのそれぞれの周縁部に前記セパレータと一体的に形成された結合部材と、前記一対のセパレータにそれぞれ形成された結合部材同士を連結させる絶縁性の連結部材と、を備える一対のセパレータである。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの位置決め作業が不要となる。

上記構成にすることにより、一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がなく、また一対のセパレータの外周縁部にシール材を設けその後クリップ止めする手間も係らず、単位時間で単位セルを製造できる。

（６）上記（５）に記載の一対のセパレータにおいて、前記一対のセパレータは、それぞれ金属基板から形成され、前記結合部材は、各セパレータと同一金属基板上に形成される一対のセパレータである。

セパレータおよび結合部材を金属製とし、さらに同一金属基板上に形成することによって、上述と同様に、セパレータおよび結合部材の加工が極めて容易になる。

（７）上記（５）または（６）に記載の一対のセパレータにおいて、前記結合部材は、ヒンジ構造を有し、前記連結部材は、前記ヒンジ構造を開閉可能に連結する軸状部材である一対のセパレータである。

上記構成とすることによって、一対のセパレータの開閉駆動が容易となる。

（８）基板の周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体を有する２枚の加工用基板を形成する工程と、前記２枚の加工用基板にそれぞれ燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を載置可能な第１の溝と、前記第１の溝にさらにガス流路用の第２の溝とを形成するとともに前記加工用基板の両端部に少なくとも１つ以上の孔を形成し、一対のセパレータを形成する工程と、前記一対のセパレータ間に前記接合体を配置し、前記一対のセパレータにそれぞれに設けられている舌状体同士を絶縁性の連結部材を介して連結させてセルを形成する工程と、を有する燃料電池用のセルの製造方法である。

上記セルの製造方法によれば、一対のセパレータおよび各舌状体を同一基板上に形成するので、のちの加工が容易であるだけでなく、この舌状体付き一対のセパレータと舌状体同士を連結する連結部材と、少ない部品点数で、簡便に一対のセパレータを連結させて単位セルを製造することができる。

（９）基板の周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体を有する２枚の加工用基板を形成する工程と、前記２枚の加工用基板にそれぞれ燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を載置可能な第１の溝と、前記第１の溝にさらにガス流路用の第２の溝とを形成するとともに前記加工用基板の両端部に少なくとも１つ以上の孔を形成し、一対のセパレータを形成する工程と、を有する一対のセパレータの製造方法である。

一対のセパレータおよび各舌状体を同一基板上に形成するので、のちの加工が容易であるだけでなく、この舌状体付き一対のセパレータと舌状体同士を連結する連結部材と、少ない部品点数で、簡便に一対のセパレータを連結させることができる。

本発明によれば、一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がなく、また一対のセパレータの外周縁部にシール材を設けその後クリップ止めする手間も係らず、単位時間で単位セルを製造できる。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの位置決め作業が不要となる。さらに、燃料電池使用による劣化に伴い、仮に劣化した単位セルを交換する場合であっても、分解が容易であるため、単位セル内の特に劣化し易い接合体（ＭＥＡ）のみを交換し、再度上記同様に組み付けることによって、燃料極と空気極および一対のセパレータを再利用することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

［燃料電池用のセル］
本実施の形態の燃料電池用のセル１００は、図１，図２に示すように、一対のセパレータは、第１のセパレータ１０と第２のセパレータ２０とからなり、第１のセパレータ１０の周縁部、特に対向辺縁部には、結合部材４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの構成要素である舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが、第１のセパレータ１０と一体に形成されている。さらに、舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが形成されている端部とは異なる対向両端部には、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水を供給される供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水が排出される排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。さらに、第１のセパレータ１０には、ＭＥＡ３０の電極の種類に応じて燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかを流通させる複数の溝からなるガス流通路５２が形成された凹部１６が設けられている。また、結合部材４０ａ、４０ｂは、上述した舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄと絶縁性の軸状部材である絶縁ピン４４ａ，４４ｂを介して絶縁性素材からなるフック４２ａ，４２ｂとヒンジ構造を形成している。絶縁ピン４４ａ，４４ｂを介して舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとフック４２ａ，４２ｂとを連結されているため、燃料電池用セルとした場合に、第１および第２のセパレータ１０，２０同士の電気的な短絡を防止することができる。

一方、第２のセパレータ２０の周縁部、特に第１のセパレータ１０と連結可能な周縁部には、結合部材４０ｃ，４０ｄの構成要素である舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが、第１のセパレータ１０の一体に形成されている。さらに、第１のセパレータ１０と対向配置した際に、第１のセパレータ１０の供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃと排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃとが設けられた端部に相対する第２のセパレータ２０の対向両端部には、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水を供給される供給連通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよび燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水が排出される排出連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられている。さらに、第２のセパレータ１０には、第１のセパレータ１０に流通させたガスとは異なる燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかを流通させる複数の溝からなるガス流通路５４が形成された凹部２６が設けられている。また、結合部材４０ｃ、４０ｄは、上述した舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと絶縁性の軸状部材である絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して、第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとそれぞれヒンジ構造を形成して連結されている。絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとを連結されているため、燃料電池用セルとした場合に、上記同様、第１および第２のセパレータ１０，２０同士の電気的な短絡を防止することができる。さらに、第２のセパレータ２０の背面には、上記絶縁性のフック４２ａ，４２ｂと係合可能な溝５０ａ，５０ｂが形成されている。

次に、図１，図２を用いて、上記本実施の形態の燃料電池用のセル１００の組み付け工程について説明する。

まず、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとを電気的に絶縁させて連結させ、ヒンジ構造の結合部材４０ｃ，４０ｄを形成する。次いで、供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、これらの連通孔とガス流通路５２とを連結する供給口および排出口を除く第１のセパレータ１０の周縁部には、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔てるためのシール材６０ａが載置され、同様に、供給連通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、排出連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、これらの連通孔とガス流通路５４とを連結する供給口および排出口を除く第２のセパレータ２０の周縁部には、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔てるためのシール材６０ｂが載置される。次に、第１のセパレータ１０と第２のセパレータの間であって、各セパレータの凹部１６，２６に相当する位置に、燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体であるＭＥＡ３０を挟み込み、次に、図１の矢印に示すように、第１のセパレータ１０のヒンジ構造を有する結合部材４０ａ，４０ｂのフック４２ａ，４２ｂを、第２のセパレータ２０の背面の溝５０ａ，５０ｂにそれぞれ係合させる。ここで、図２に示すように、フック４２ａ，４２ｂは溝５０ａ，５０ｂに係合した際に、フック４２ａ，４２ｂは第２のセパレータ２０の背面と面一の状態になっていることが好ましく、これにより、単位セルを効率よく安定して積層（スタッキング）させることができる。

本実施の形態では、第１のセパレータのフック４２ａ，４２ｂを、第２のセパレータ２０の溝５０ａ，５０ｂに係合した形態であり、一体のセパレータの仮止め状態になっているが、上記フック４２ａ，４２ｂの代わりに、上記溝５０ａ，５０ｂと強固に嵌合するホックとした場合には、一対のセパレータを圧縮させることもできる。

上述のように構成された燃料電池用のセル１００において、例えば、酸化剤ガスは、供給連通孔１２ａから供給されガス流通路５２，５４のいずれかを経て排出連通孔１４ａから排出され、燃料ガスは、供給連通孔１２ｂから供給され酸化剤ガスと異なるガス流通路５２，５４のいずれかを経て排出連通孔１４ｂから排出され、冷却水は、供給連通孔１２ｃから供給されセパレータに形成されたガス流通路と異なる溝を経て排出連通孔１４ｃから排出される。

本実施の形態の燃料電池用のセル１００に用いられるシール材６０ａ，６０ｂの素材としては、耐高温性、耐酸性、耐腐食性を有し、機密性を確保するために空隙率の少ないきめの細かい樹脂が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴムが望ましい。

また、上記第１および第２セパレータ１０，２０の素材は、積み重ねられたセルが電気的に直列に接続されるように、導電性の材質が望ましく、例えば金属素材またはカーボン素材からなり、好ましくは、加工の点で金属素材であり、金属素材としては、例えばステンレス鋼を用いることができる。

また、上記絶縁ピン４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄおよび絶縁性のフック４２ａ，４２ｂの素材は、絶縁性材料であって、耐高温性、耐酸性、耐腐食性であれば何であってもよいが、例えば、ガラス、エボナイト、アクリル樹脂、ポリスチレン、ゴム、ガラスエポキシなどを用いることができる。なお、本実施の形態では、絶縁ピンは、ヒンジ構造の軸状体として用いるため、この絶縁ピンの少なくとも一方端には、他の部分より径の大きな頭部が設けられている。

なお、上述のような燃料電池用のセルの構造とすることにより、一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がなく、また一対のセパレータの外周縁部にシール材を設けその後クリップ止めする手間も係らず、単位時間で単位セルを製造できる。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの位置決め作業が不要となる。

［燃料電池］
上述した本実施の形態の燃料電池用のセル１００を複数枚積層して、スタック状にしたのち、このスタックの端部をボルト締めすることによって、圧縮されたスタック状の燃料電池を得ることができる。

また、上述したように、本実施の形態の燃料電池用のセル１００は、そのセパレータ外表面がほぼ平坦であることから、セルを複数個スタッキングしたのちの圧縮効率も良好であり、コンパクトな燃料電池を提供することができる。

なお、上述のような燃料電池用のセルの構造とすることにより、一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がないので、燃料電池の使用による劣化に伴い、劣化した単位セルを交換する場合であっても、分解が容易であるため、単位セル内の特に劣化し易い接合体（ＭＥＡ）のみを交換し、再度上記同様にセルを組み付けることによって、燃料極と空気極および一対のセパレータを再利用することができる。これにより、燃料電池のリサイクル効率が向上するとともに、廃棄されるものの量を大幅に減少させることができる。

［燃料電池用のセルの製造方法］
図３に、本実施の形態の燃料電池用のセルの製造方法の一例が示されており、特に、図１に示す第１のセパレータ１０の製造が例示されている。また、ここでは、セパレータの素材として金属素材を例にとり説明する。

まず、金属基板を切り出し、基板周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆを有する第１の加工用基板１１を形成する（Ｓ１００）。なお、第２のセパレータ用として、金属基板を切り出し、基板周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ（図１参照）を有する第２の加工用基板も形成しておく。

次いで、上記第１の加工用基板１１に対して、接合体であるＭＥＡ３０を載置可能な第１の溝４６と、第１の溝４６にさらに複数のガス流通路５２を有する第２の溝とを有する凹部１６をプレス加工により形成する。同様に、第２の加工用基板に対して、図１に示す接合体であるＭＥＡ３０を載置可能な第１の溝と、第１の溝にさらに複数のガス流通路５４を有する第２の溝とを有する凹部２６をプレス加工により形成する。さらに、第１の加工用基板１１の両端部に、パンチ加工により、少なくとも１つ以上の連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃを形成し、第１のセパレータ１０を形成する（Ｓ１１０）。同様に、第２の加工用基板の両端部に、パンチ加工により、少なくとも１つ以上の連通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃを形成し、第２のセパレータ２０を形成する。

次に、図１に示すように、上記第１のセパレータ１０にシール材６０ａを上述同様に載置し、一方第１のセパレータ２０についても上記同様にシール材６０ｂを載置し、その後、ＭＥＡ３０を凹部１６，２６に位置決めするようにして（Ｓ１２０）、ＭＥＡ３０を第１および第２のセパレータ１０，２０およびシール材６０ａ，６０ｂによって挟み込む。

次いで、図４に示すように、第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆの一部を、第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂおよび舌状体２８ｃ，２８ｄとの間に非接触で挿入し、舌状体１８ｅと舌状体２８ａ，２８ｂとの非接触の重複個所に一方端に絶縁ピン４４ｃを配置し、同様に、舌状体１８ｆと舌状体２８ｃ，２８ｄとの非接触の重複個所に絶縁ピン４４ｄを配置する。次に、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれがヒンジ構造の軸となるように、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれに舌状体１８ｅと舌状体２８ａ，２８ｂおよび舌状体１８ｆと舌状体２８ｃ，２８ｄを巻き付け加工する。次に、絶縁ピン４４ｃ、４４ｄが脱落しないように、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄの頭部と反対端にそれぞれ絶縁リング４５ｃ，４５ｄを嵌める。これによって、絶縁ピン４４ｃ、４４ｄを軸として開閉可能なヒンジ構造で第１セパレータ１０と第２セパレータ２０が絶縁されて連結される。同様に、図示しないが、図１に示す第１のセパレータ１０の舌状体１８ａ，１８ｂおよび舌状体１８ｃ，１８ｄとの間に、フック４２ａ，４２ｂの一部が非接触で挿入され、フック４２と舌状体１８ａ，１８ｂとの非接触の重複個所に一方端に絶縁ピン４４ａが配置され、同様に、フック４２ｂと舌状体１８ｃ，１８ｄとの非接触の重複個所に絶縁ピン４４ｂが配置される。次に、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれがヒンジ構造の軸となるように、絶縁ピン４４ａ，４４ｂのそれぞれにフック４２ａと舌状体１８ａ，１８ｂおよびフック４２ｂと舌状体１８ｃ，１８ｄを巻き付け加工する。次に、絶縁ピン４４ａ、４４ｂが脱落しないように、絶縁ピン４４ａ，４４ｂの頭部と反対端にそれぞれ絶縁リングを嵌める。これによって、絶縁ピン４４ａ、４４ｂを軸としてフック４２ａ，４２ｂが回動可能なヒンジ構造が形成され、このフック４２ａ，４２ｂを溝５０ａ，５０ｂに係合させることによって、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０を絶縁させて連結させることができる。

上記工程により、燃料電池用のセルを製造することができる。

上記セルの製造方法によれば、一対のセパレータおよび各舌状体を同一基板上に形成するので、のちの加工が容易であるだけでなく、この舌状体付き一対のセパレータと舌状体同士を連結する連結部材と、少ない部品点数で、簡便に一対のセパレータを連結させて単位セルを製造することができる。

［燃料電池用の一対のセパレータ］
本実施の形態の燃料電池用の一つのセパレータは、図１，図２に示すように、第１のセパレータ１０と第２のセパレータ２０とからなり、第１のセパレータ１０の周縁部、特に対向辺縁部には、結合部材４０ａ，４０ｂ，４０ｃの構成要素である舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが、第１のセパレータ１０の一体に形成されている。さらに、舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが形成されている端部とは異なる対向両端部には、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水を供給される供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水が排出される排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。さらに、第１のセパレータ１０には、ＭＥＡ３０の電極の種類に応じて燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかを流通させる複数の溝からなるガス流通路５２が形成された凹部１６が設けられている。また、結合部材４０ａ、４０ｂは、上述した舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄと絶縁性の軸上部材である絶縁ピン４４ａ，４４ｂを介して絶縁性素材からなるフック４２ａ，４２ｂとヒンジ構造を形成している。絶縁ピン４４ａ，４４ｂを介して舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとフック４２ａ，４２ｂとを連結されているため、燃料電池用セルとした場合に、第１および第２のセパレータ１０，２０同士の電気的な短絡を防止することができる。

一方、第２のセパレータ２０の周縁部、特に第１のセパレータ１０と連結可能な周縁部には、結合部材４０ｃ，４０ｄの構成要素である舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが、第１のセパレータ１０の一体に形成されている。さらに、第１のセパレータ１０と対向配置した際に、第１のセパレータ１０の供給連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃと排出連通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃとが設けられた端部に相対する第２のセパレータ２０の対向両端部には、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水を供給される供給連通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよび燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水が排出される排出連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃが設けられている。さらに、第２のセパレータ１０には、第１のセパレータ１０に流通させたガスとは異なる燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかを流通させる複数の溝からなるガス流通路５４が形成された凹部２６が設けられている。また、結合部材４０ｃ、４０ｄは、上述した舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと絶縁性の軸上部材である絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して、第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとそれぞれヒンジ構造を形成して連結されている。絶縁ピン４４ｃ，４４ｄを介して第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆとを連結されているため、燃料電池用セルとした場合に、上記同様、第１および第２のセパレータ１０，２０同士の電気的な短絡を防止することができる。さらに、第２のセパレータ２０の背面には、上記フック４２ａ，４２ｂと係合可能な溝５０ａ，５０ｂが形成されている。

なお、上述した構成と同一の構成には同一の符号を付し、その素材についての説明は、省略する。また、上述同様、絶縁ピンは、ヒンジ構造の軸状体として用いるため、この絶縁ピンの少なくとも一方端には、他の部分より径の大きな頭部が設けられている。

上述のような燃料電池用の一対のセパレータの周縁部にそれぞれ一体的に形成された結合部材同士を絶縁性の連結部材により連結させて単位セルを形成するため、従来のように接着材を用いる必要がなく、また一対のセパレータの外周縁部にシール材を設けその後クリップ止めする手間も係らず、単位時間で単位セルを製造できる。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータの位置決め作業が不要となる。

［一対のセパレータの製造方法］
なお、上述した構成と同一の構成には同一の符号を付し、その素材についての説明は、省略する。また、上述同様、絶縁ピンは、ヒンジ構造の軸状体として用いるため、この絶縁ピンの少なくとも一方端には、他の部分より径の大きな頭部が設けられている。

図３に、本実施の形態の燃料電池用の一対のセパレータの製造方法の一例が示されており、特に、図１に示す第１のセパレータ１０の製造が例示されている。また、ここでは、セパレータの素材として金属素材を例にとり説明する。

まず、金属基板を切り出し、基板周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆを有する第１の加工用基板１１を形成する（Ｓ１００）。なお、第２のセパレータ用として、金属基板を切り出し、基板周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ（図１参照）を有する第２の加工用基板も形成しておく。

次いで、上記第１の加工用基板１１に対して、接合体であるＭＥＡ３０を載置可能な第１の溝４６と、第１の溝４６にさらに複数のガス流通路５２を有する第２の溝とを有する凹部１６をプレス加工により形成する。同様に、第２の加工用基板に対して、図１に示す接合体であるＭＥＡ３０を載置可能な第１の溝と、第１の溝にさらに複数のガス流通路５４を有する第２の溝とを有する凹部２６をプレス加工により形成する。さらに、第１の加工用基板１１の両端部に、パンチ加工により、少なくとも１つ以上の連通孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃを形成し、第１のセパレータ１０を形成する（Ｓ１１０）。同様に、第２の加工用基板の両端部に、パンチ加工により、少なくとも１つ以上の連通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃを形成し、第２のセパレータ２０を形成する。

次いで、図４に示すように、第１のセパレータ１０の舌状体１８ｅ，１８ｆの一部を、第２のセパレータ２０の舌状体２８ａ，２８ｂおよび舌状体２８ｃ，２８ｄとの間に非接触で挿入し、舌状体１８ｅと舌状体２８ａ，２８ｂとの非接触の重複個所に一方端に絶縁ピン４４ｃを配置し、同様に、舌状体１８ｆと舌状体２８ｃ，２８ｄとの非接触の重複個所に絶縁ピン４４ｄを配置する。次に、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれがヒンジ構造の軸となるように、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれに舌状体１８ｅと舌状体２８ａ，２８ｂおよび舌状体１８ｆと舌状体２８ｃ，２８ｄを巻き付け加工する。次に、絶縁ピン４４ｃ、４４ｄが脱落しないように、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄの頭部と反対端にそれぞれ絶縁リング４５ｃ，４５ｄを嵌める。これによって、絶縁ピン４４ｃ、４４ｄを軸として開閉可能なヒンジ構造で第１セパレータ１０と第２セパレータ２０が絶縁されて連結される。同様に、図示しないが、図１に示す第１のセパレータ１０の舌状体１８ａ，１８ｂおよび舌状体１８ｃ，１８ｄとの間に、フック４２ａ，４２ｂの一部が非接触で挿入され、フック４２と舌状体１８ａ，１８ｂとの非接触の重複個所に一方端に絶縁ピン４４ａが配置され、同様に、フック４２ｂと舌状体１８ｃ，１８ｄとの非接触の重複個所に絶縁ピン４４ｂが配置される。次に、絶縁ピン４４ｃ，４４ｄのそれぞれがヒンジ構造の軸となるように、絶縁ピン４４ａ，４４ｂのそれぞれにフック４２ａと舌状体１８ａ，１８ｂおよびフック４２ｂと舌状体１８ｃ，１８ｄを巻き付け加工する。次に、絶縁ピン４４ａ、４４ｂが脱落しないように、絶縁ピン４４ａ，４４ｂの頭部と反対端にそれぞれ絶縁リングを嵌める。これによって、絶縁ピン４４ａ、４４ｂを軸としてフック４２ａ，４２ｂが回動可能なヒンジ構造が形成され、このフック４２ａ，４２ｂを溝５０ａ，５０ｂに係合させることによって、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０を絶縁させて連結させることができる。

上記工程により、燃料電池用の一対のセパレータを製造することができる。

上記一対のセパレータの製造方法によれば、セパレータおよび各舌状体を同一基板上に形成するので、のちの加工が容易であるだけでなく、この舌状体付き一対のセパレータと舌状体同士を連結する連結部材と、少ない部品点数で、簡便に一対のセパレータを連結させて単位セルを製造することができる。

本発明の燃料電池用のセルおよびその製造方法、一対のセパレータおよびその製造方法、並びに燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。

本発明の燃料電池用のセルの一態様の構成を説明する斜視図である。 図１に示す燃料電池用のセルのガス流通路に直交する断面図である。 本発明の燃料電池用のセルの製造方法の一例を説明する図である。 本発明の燃料電池用のセルにおける一対のセパレータの各結合部材を絶縁性の連結部材で連結する方法の一例を説明する図である。 従来の燃料電池用のセルの一態様の構成を説明する断面図である。 従来の燃料電池用のセルにおけるセパレータに接着されるシール材の位置を説明する図である。

符号の説明

１０，２０ セパレータ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 供給連通孔、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 排出連通孔、１６，２６ 凹部、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ 舌状体、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 結合部材、４２ａ，４２ｂ フック、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 絶縁ピン、１００ セル。

Claims (9)

1. 燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルであって、
   前記一対のセパレータのそれぞれの周縁部に前記セパレータと一体的に形成された結合部材と、
   前記一対のセパレータにそれぞれ形成された結合部材同士を連結させる絶縁性の連結部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用のセル。
2. 請求項１に記載の燃料電池用のセルにおいて、
   前記一対のセパレータは、それぞれ金属基板から形成され、
   前記結合部材は、各セパレータと同一金属基板上に形成されることを特徴とする燃料電池用のセル。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用のセルにおいて、
   前記結合部材は、ヒンジ構造を有し、
   前記連結部材は、前記ヒンジ構造を開閉可能に連結する軸状部材であることを特徴とする燃料電池用のセル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用のセルを積層してなることを特徴とする燃料電池。
5. 燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を挟持可能な一対のセパレータであって、
   前記一対のセパレータのそれぞれの周縁部に前記セパレータと一体的に形成された結合部材と、
   前記一対のセパレータにそれぞれ形成された結合部材同士を連結させる絶縁性の連結部材と、
   を備えることを特徴とする一対のセパレータ。
6. 請求項５に記載の一対のセパレータにおいて、
   前記一対のセパレータは、それぞれ金属基板から形成され、
   前記結合部材は、各セパレータと同一金属基板上に形成されることを特徴とする一対のセパレータ。
7. 請求項５または請求項６に記載の一対のセパレータにおいて、
   前記結合部材は、ヒンジ構造を有し、
   前記連結部材は、前記ヒンジ構造を開閉可能に連結する軸状部材であることを特徴とする一対のセパレータ。
8. 基板の周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体を有する２枚の加工用基板を形成する工程と、
   前記２枚の加工用基板にそれぞれ燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を載置可能な第１の溝と、前記第１の溝にさらにガス流路用の第２の溝とを形成するとともに前記加工用基板の両端部に少なくとも１つ以上の孔を形成し、一対のセパレータを形成する工程と、
   前記一対のセパレータ間に前記接合体を配置し、前記一対のセパレータにそれぞれに設けられている舌状体同士を絶縁性の連結部材を介して連結させてセルを形成する工程と、 を有することを特徴とする燃料電池用のセルの製造方法。
9. 基板の周縁部に少なくとも２つ以上の舌状体を有する２枚の加工用基板を形成する工程と、
   前記２枚の加工用基板にそれぞれ燃料極と電解質膜と空気極とからなる接合体を載置可能な第１の溝と、前記第１の溝にさらにガス流路用の第２の溝とを形成するとともに前記加工用基板の両端部に少なくとも１つ以上の孔を形成し、一対のセパレータを形成する工程と、
   を有することを特徴とする一対のセパレータの製造方法。
   

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