JP2011028907A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】組立が簡単且つ容易に行うことができる燃料電池を提供することにある。
【解決手段】燃料電池電極と、この燃料電池電極のアノード電極とカソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を有するセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体を締付板により互いに近接する方向に一体的に締付けて構成される燃料電池において、単位電池は、燃料電池電極１１、セパレータ１５，２０，２２の外周部にセパレータの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路にそれぞれ連通するマニホルド穴を有する枠部材１２，１６，２１，２２が配置され、この枠部材と燃料電池電極および前記セパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シート１３，１７，２３を接着剤１４，１９，１８，２６，２４，２５により、燃料電池電極１１およびセパレータの１５，２０，２２と枠部材１２，１６，２１，２２とにそれぞれ接着して一体化されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、組立が簡単且つ容易な構造を有する燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配置し、その触媒層に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する装置である。

例えば、一般的な固体高分子型燃料電池では、イオン交換膜で形成された固体高分子膜の両面に白金あるいは白金化合物等からなる触媒層と多孔質カーボンペーパー等で構成されたガス拡散層を配置した電極と、さらにその両面に配置されたガス供給用の流路を備えたガス不透過性のセパレータとを複数枚積層した構造の燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に配置され、燃料電池積層体における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を燃料電池積層体の外部に導通させるための集電板と、それぞれの積層部材を互いに近接する方向に締付けて保持する締付板が設置されている。

また、電極とセパレータとには、中央の電池反応部の外周側にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを流通させるためのマニホルド穴が設けられ、それぞれの部材を積層した状態でマニホルド穴が連結され、燃料ガスマニホルドと酸化剤ガスマニホルドが形成される。

ところで、このような構成の燃料電池を製造する場合、電極部材またはセパレータ部材には比較的高価な材料を使用しているため、材料費を低減する目的で電極部材またはセパレータ部材は電池反応部にのみ使用し、電極部材またはセパレータ部材の外周のマニホルド部には比較的安価な樹脂材料を枠状に一体成型したり、厚さ方向に２分割された枠状の樹脂材料を両面から接合したりする方法が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

特開２００６−１７２７５２ 特許第３５９４３４５号

しかしながら、電極部材またはセパレータ部材の外周部に安価な樹脂材料を使用しても、樹脂材料を電極部材またはセパレータ部材の外周に一体成型したり、複雑な形状の樹脂材料を成型した後に電極部材またはセパレータ部材の外周に接合したりする方法では、多大な手間と時間を要し、作業効率が悪いばかりでなく、経済的にも不利である。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は組立が簡単且つ容易に行うことができる経済的に有利な燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を有するセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、前記単位電池は、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方の外周部に前記セパレータの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路にそれぞれ連通するマニホルド穴を有する枠部材が配置され、この枠部材と前記燃料電池電極または前記セパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シートを接着剤により、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方と前記枠部材とにそれぞれ接着して一体化された構造としたものである。

また、本発明は、電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路となるガス流通路を有する２つのセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成される燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、前記一つのセパレータは、片面に第１のガス流通路が形成され周縁部に段差部を有する片面溝付きセパレータであり、前記もう一つのセパレータは、一方の面に第２のガス流通路が形成されると共に、他方の面に冷却水流通路が形成され周縁部に段差部を有する両面溝付きセパレータであり、前記燃料電池電極の該周部に配置され、該燃料電池電極が収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する電極枠部材と、前記片面溝付きセパレータの外周部に配置され、該片面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する片面溝付きセパレータ枠部材と、前記両面溝付きセパレータの外周部に配置され、該両面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する両面溝付きセパレータ枠部材と、前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材との間、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材との間及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材との間に跨ってそれぞれ配置された接着用シートとを有し、前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材と、前記各接着用シートとを接着剤によりそれぞれ接着して一体化した枠付き電極及び枠付きセパレータを構成し、前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータ枠部材及び両面溝付きセパレータ枠部材のガスマニホルド穴は、前記片面溝付きセパレータ及び両面溝付きセパレータの該当するガス流通路に連通し、また冷却水マニホルド穴は、前記両面溝付きセパレータの冷却水流通路に連通する構造としたものである。

本発明によれば、電極部材またはセパレータ部材の外周部に樹脂材料を使用して、電極部材またはセパレータ部材と、その外周に設置された枠部品とを接着シートで接合する構成とすることで、組立を簡単且つ容易に行うことができる経済的に有利な燃料電池を提供することができる。

本発明による燃料電池の第1の実施形態を示す斜視図。 同実施形態における単位電池を示す斜視図。 同じく単位電池を示す平面図。 （ａ）〜（ｄ）は図３をＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿ってそれぞれ切断して示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は図４の（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する切断部における構成部品を部品毎に分解した状態を示す断面図。 （ａ），（ｂ）は同実施形態における燃料電池電極をアノード電極側およびカソード電極側から見た平面図。 同じく片面溝付きセパレータを燃料ガス溝側から見た平面図。 （ａ），（ｂ）は同じく両面溝付きセパレータを冷却水溝側および空気溝側から見た平面図。 同実施形態における電極枠部材を示す平面図。 同じく電極枠接着用シートを示す平面図。 同じくシート状に形成されたホットメルト接着剤を示す平面図。 同実施形態における片面溝付きセパレータ枠部材を示す平面図。 同じく片面溝付きセパレータ枠部材の上面に配置されるシート状のホットメルト接着剤を示す平面図。 同じく片面溝付きセパレータ枠部材の下面側に配置されるセパレータ接着用シートを示す平面図。 同じく片面溝付きセパレータ枠部材の下面側に配置されるシート状のホットメルト接着剤を示す平面図。 同実施形態における両面溝付きセパレータ枠部材を示す平面図。 同じく両面溝付きセパレータ枠部材の下面側に配置されるセパレータ接着用シートを示す平面図。 同じく両面溝付きセパレータ枠部材の下面側に配置されるシート状のホットメルト接着剤を示す平面図。 同実施形態における両面溝付きセパレータ段差部枠部材を示す平面図。 同じく両面溝付きセパレータ段差部枠部材の上面側に配置されるシート状のホットメルト接着剤を示す平面図。 同じく両面溝付きセパレータ枠部材の上面側に配置されるシート状のホットメルト接着剤を示す平面図。 同実施形態において、単位電池の隣接する積層間に設けられるシール材を示す平面図。 本発明による燃料電池の第２の実施形態における単位電池の構成部品を図５と同様に図３に準じて切断して分解した状態を示す断面図。 本発明による燃料電池の第３の実施形態における単位電池の片面溝付きセパレータ枠部材を示す斜視図。 （ａ）〜（ｄ）は本発明による燃料電池の第４の実施形態における単位電池の構成部品を図４と同様に図３に準じてＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿ってそれぞれ切断して示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は図２５の（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する切断部における構成部品を部品毎に分解した状態を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明による燃料電池の全体構成について述べる。

図１は本発明による燃料電池の第１の実施形態を示す斜視図である。

図１において、１００は燃料電池で、この燃料電池１００は複数個の単位電池１を積層した燃料電池積層体２と、この燃料電池積層体２の積層方向の両端に設置された締付板３と、これら締付板３の四隅部分を燃料電池積層体２の単位電池積層方向にそれぞれ貫通し、互いに締付板３が接近する方向に一体的に締付けるタイロッド４とから構成されている。

また、締付板３の周辺部には、燃料電池積層体２を構成する各単位電池１にそれぞれ設置されたマニホルド穴に燃料ガス、冷却水および空気を導入または排出するための燃料配管５と冷却水配管６および空気配管７が設置されている。

次に本発明の第１の実施形態における単位電池１の構成について図２乃至図２２を参照しながら説明する
図２は単位電池１を示す斜視図、図３は図２の単位電池１を電極側から見た平面図、図４（ａ）〜（ｄ）は図２をＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿って切断した断面図、図５（ａ）〜（ｄ）は図４の（ａ）〜（ｄ）の断面図の各構成部品を部品毎に分解して示す分解図、図６〜図２２は図５（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの構成部品をその上方から見た平面図である。

図２乃至図５において、１１は燃料電池電極で、この燃料電池電極１１は電解質膜８とその両面にそれぞれ配置されたガス透過性のアノード電極９とカソード電極１０とを互いに接合して構成され、アノード電極９とカソード電極１０の外周部分には図６（ａ），（ｂ）に示すようにそれぞれガス不透過性のアノード電極エッジ部９ａとカソード電極エッジ部１０ａとが形成されている。

また、１５は燃料電池電極１１のアノード電極９に接触させて配置されるガス不透過性で導電性の素材からなる片面溝付きセパレータで、この片面溝付きセパレータ１５は図７に示すように片面、すなわちアノード電極９との接触面側に燃料ガス溝１５ａが形成され、その外周部分にアノード電極エッジ部９ａに対応させて段差部１５ｂが形成されている。

さらに、２０は片面溝付きセパレータ１５のアノード電極９側とは反対側の面に接触させて配置されるガス不透過性で導電性の素材からなる両面溝付きセパレータで、この両面溝付きセパレータ２０は図８（ａ），（ｂ）に示すように片面溝付きセパレータ１５との接触側の面（表面）に冷却水を流通させるための冷却水溝２０ａが形成され、これとは反対側の面（裏面）に空気を流通させるための空気溝２０ｂが形成され、その外周部分にはアノード電極エッジ部９ａに対応させて段差部２０ｃが形成されている。

一方、１２は燃料電池電極１１の外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の電極枠部材、１３はこの電極枠部材１２の図示下面とアノード電極エッジ部９ａに対応する片面溝付きセパレータ１５の外周部分に有する段差部１５ｂとの間に跨って配置された電極枠接着用シートで、この電極枠接着用シート１３と電極枠部材１２およびアノード電極エッジ部９ａとの間に接着剤１４として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置されている。

ここで、電極枠部材１２は、図９に示すように中央に開口部１２ａを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴１２ｂ、空気を流通する空気マニホルド穴１２ｃ、冷却水を流通する冷却水マニホルド穴１２ｄ、四隅部分にはタイロッド４を挿通するためのタイロッド貫通穴１２ｅがそれぞれ設けられている。

また、電極枠接着用シート１３および接着剤１４は、図１０および図１１に示すように電極枠部材１２と比較し中央の開口部１３ａ，１４ａのみが電極枠部材１２の開口部１２ａより小さく、且つ開口端が片面溝付きセパレータ１５の外周部分に有する段差部１５ｂに挿入し得る大きさに形成されている以外は電極枠部材１２とほぼ同一形状の枠状部品である。

この場合、燃料電池電極１１の外周面と電極枠部材１２の開口端との間並びに電極枠接着用シート１３および接着剤１４の開口端と片面溝付きセパレータ１５の外周部分に有する段差部１５ｂの垂直面との間にギャップがあっても燃料ガスが漏れたり、接着強度が損なわれたりすることはない。

また、１６は片面溝付きセパレータ１５の外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の片面溝付きセパレータ枠部材、１７はこの片面溝付きセパレータ枠部材１６の図示下面と両面溝付きセパレータ２０の段差部２０ｃに対応する片面溝付きセパレータ１５の下面との間に跨って配置されたセパレータ接着用シートで、このセパレータ接着用シート１７と片面溝付きセパレータ枠部材１６および片面溝付きセパレータ１５との間に接着剤１８として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

ここで、片面溝付きセパレータ枠部材１６は、図１２に示すように中央に開口部１６ａを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴１６ｂ、空気を流通する空気マニホルド穴１６ｄ、冷却水を流通する冷却水マニホルド１６ｄ、四隅部分にはタイロッド４を挿通させるためのタイロッド貫通穴１６ｅがそれぞれ設けられている。

そして、片面溝付きセパレータ枠部材１６には、燃料マニホルド穴１６ｂから片面溝付きセパレータ１５の燃料ガス溝１５ａに燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡部１６ｆにより燃料マニホルド穴１６ｂと開口部１６ａが接続され、連続した開口部１６ｇが形成されている。

また、セパレータ接着用シート１７および接着剤１８は、図１４および図１５に示すように片面溝付きセパレータ枠部材１６と比較し中央の開口部１７ａ，１８ａのみが片面溝付きセパレータ枠部材１６の開口部１６ａより小さく、且つ開口端が両面溝付きセパレータ２０の外周部分に有する段差部２０ｃに挿入し得る大きさに形成されている以外は片面溝付きセパレータ枠部材１６とほぼ同一形状の枠状部品である。

この場合、片面溝付きセパレータ１５の外周面と片面溝付きセパレータ枠部材１６の開口端との間並びにセパレータ接着用シート１７および接着剤１８の開口端と両面溝付きセパレータ２０の外周部分に有する段差部２０ｃの垂直面との間にギャップがあっても冷却水が漏れたり、接着強度が損なわれたりすることはない。

他方、片面溝付きセパレータ枠部材１６と前述した電極枠接着用シート１３とは、連続した開口部１６ｇと空気マニホルド穴１６ｃと冷却水マニホルド穴１６ｄのそれぞれの周辺を囲むように接着剤１９として、図１３に示すような形状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

さらに、２１は両面溝付きセパレータ２０の外周側に有する段差部２０ｃに配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の両面溝付きセパレータ枠部材、２２は両面溝付きセパレータ２０の段差部２０ｃの下方に位置する外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の両面溝付きセパレータ段差部枠部材、２３はこの両面溝付きセパレータ枠部材２１の図示下面と両面溝付きセパレータ２０の段差部２０ｃとの間に跨って配置されるセパレータ接着用シートで、このセパレータ接着用シート２３と両面溝付きセパレータ枠部材２１との間に接着剤２４として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

また、両面溝付きセパレータ２０の外周側に有する段差部２０ｃの上段面とセパレータ接着用シート２３および両面溝付きセパレータ段差部枠部材２２と両面溝付きセパレータ接着用シート２３との間に接着剤２５として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

ここで、両面溝付きセパレータ枠部材２１は、図１６に示すように中央に開口部２１ａを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴２１ｂ、空気を流通する空気マニホルド穴２１ｃ、冷却水を流通する冷却水マニホルド２１ｄ、四隅部分にはタイロッド４を挿通させるためのタイロッド貫通穴２１ｅがそれぞれ設けられている。

そして、両面溝付きセパレータ枠部材２１には、冷却水マニホルド穴２１ｄから両面溝付きセパレータ２０の冷却水溝２０ａに冷却水を流通させるための冷却水連絡部２１ｆにより冷却水マニホルド穴２１ｄと開口部２１ａが接続され、連続した開口部２１ｇが形成される。

また、セパレータ接着用シート２３は、図１７示すように両面溝付きセパレータ枠部材２１と比較し冷却水マニホルド穴２１ｄが冷却水連絡部２１ｆにより開口部２１ａに接続されない以外は両面溝付きセパレータ枠部材２１とほぼ同一形状の枠状部品である。また、接着剤２４は、図１８に示すように両面溝付きセパレータ枠部材２１と同一形状である。

さらに、両面溝付きセパレータ段差部枠部材２２は、図１９に示すように空気マニホルド穴２１ｃから両面溝付きセパレータ２０の図８（ｂ）に示す空気溝２０ｂに空気を流通させるための空気連絡部２１ｈにより空気マニホルド穴２１ｃと開口部２１ａが接続され、連続した開口部２１ｉが形成される。

また、両面溝付きセパレータ段差部枠部材２２とセパレータ接着用シート２３との間には、図２０に示すように開口部２１ｉと燃料マニホルド穴２１ｂと冷却水マニホルド穴２１ｄのそれぞれの周辺を囲むように接着剤２５として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

他方、両面溝付きセパレータ枠部材２１と前述した片面溝付きセパレータ接着用シート１７とは、開口部２１ｇと燃料マニホルド穴２１ｂと空気マニホルド穴２１ｃのそれぞれの周辺を囲むように図２１に示すような形状の接着剤２６として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。

このように燃料電池電極１１、片面溝付きセパレータ１５および両面溝付きセパレータ２０の外周側に配置された電極枠部材１２、片面溝付きセパレータ枠部材１６、両面溝付きセパレータ枠部材２１および両面溝付きセパレータ段差部枠部材２２のそれぞれの間に電極枠接着用シート１３とその両面側にシート状の接着剤１４，１９、セパレータ接着用シート１７とその両面側に接着剤１８，２６、セパレータ接着用シート２３とその両面側にシート状の接着剤２４，２５とを重ね合せるように配置した上で全体を加熱圧着することで、それぞれの部材が次のような状態で接合される。

すなわち、燃料電池電極１１の外周部の全周が電極枠接着用シート１３と接着されるとともに、電極枠部材１２と電極枠接着用シート１３とは開口部１２ａと燃料マニホルド穴１２ｂと空気マニホルド穴１２ｃと冷却水マニホルド穴１２ｄのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤１４により接着される。

また、片面溝付きセパレータ１５の外周部の全周はセパレータ接着用シート１７と接着されるとともに、片面溝付きセパレータ枠部材１６とセパレータ接着用シート１７とは、開口部１６ｇと空気マニホルド穴１６ｃと冷却水マニホルド穴１６ｄのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤１８により接着される。

このとき、電極枠接着用シート１３と片面溝付きセパレータ枠部材１６とは、開口部１６ｇと空気マニホルド穴１６ｃと冷却水マニホルド穴１６ｄのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤１９により接着される。

さらに、両面溝付きセパレータ枠部材２１とセパレータ接着用シート２３は、開口部２１ｇと燃料マニホルド穴２１ｂと空気マニホルド穴２１ｃのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤２４により接着され、また、両面溝付きセパレータ２０の段差部２０ｃの全周はセパレータ接着用シート２３と接着されるとともに、両面溝付きセパレータ段差部枠部材２２とセパレータ接着用シート２３は、開口部２１ｉと燃料マニホルド穴２１ｂと冷却水マニホルド穴２１ｄのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤２５により接着される。

このとき、セパレータ接着用シート１７と両面溝付きセパレータ枠部材２１とは、開口部２１ｇと燃料マニホルド穴２１ｂと空気マニホルド穴２１ｃのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤２５により接着される。

このようにして組立られる単位電池１を複数個積層する場合には、隣接した単位電池１同士の間をシールする必要があるため、単位電池１の隣接する積層間にシール材２７が設けられる。

このシール材２７は、図２２に示すように中央に開口部２７ａを有する枠状の部品であり、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴２７ｂと空気を流通する空気マニホルド穴２７ｃと冷却水を流通する冷却水マニホルド穴２７ｄと四隅部分にはタイロッド４を挿通するためのタイロッド貫通穴２７ｅがそれぞれ設けられている。

次に上記のように構成された第１の実施形態における燃料電池の作用について述べる。

第１の実施形態において、締付板３の一方の燃料配管５から導入された燃料ガスは、単位電池１の各部材の燃料マニホルド穴に流通し、片面溝付きセパレータ枠部材１６の一方の燃料ガス連絡部１６ｆを経由して片面溝付きセパレータ１５の燃料ガス溝１５ａに導入され、燃料電池電極１１のアノード電極９で消費された後に、未使用の燃料ガスおよび燃料ガス中の燃料以外の成分は、片面溝付きセパレータ枠部材１６の他方の燃料ガス連絡部１６ｆを経由して締付板３の他方の燃料配管５から排出される。

このとき、片面溝付きセパレータ枠部材１６および接着剤１９、接着剤１８を除く単位電池１のそれぞれの部材では、互いに隣接する部材間の接着剤またはシール材により、燃料マニホルド穴の周囲がシールされているため、燃料ガスが燃料マニホルド穴から片面溝付きセパレータ枠部材１６の燃料ガス連絡部１６ｆ以外の空間に侵入することはない。

また、片面溝付きセパレータ１５の燃料ガス溝１５ａに導入された燃料ガスは片面溝付きセパレータ１５と片面溝付きセパレータ枠部材１６の隙間に侵入するが、セパレータ接着用シート１７と片面溝付きセパレータ１５とが接着材１８によりシールされているため、燃料ガスが両面溝付きセパレータ２０の冷却水溝２０ａ側へ漏れ出ることを防止できる。

同様に片面溝付きセパレータ１５の燃料ガス溝１５ａに導入された燃料ガスは、燃料電池電極１１のアノード電極エッジ９ａと接着剤１４と電極枠接着用シート１３とでシールされているため、燃料電池電極１１の外周部を経由して燃料電池電極１１側へ漏れ出ることを防止できる。

同様に空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水も、それぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされ、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。

このように第１の実施形態では、図７〜図２２に示すように単位電池１に使用する部材のうち、燃料電池電極１１と片面溝付きセパレータ１５と両面溝付きセパレータ２０とを除いたそれぞれの部材は厚さ方向に均一な形状を有し、平板状またはシート状の材料からの打抜きなどの切断加工により容易に製作が可能である。また、それぞれの枠部材および接着用シートは予め準備した金型に樹脂材料を流し込むモールド加工でも製作が容易であるが、この際も形状が比較的単純であるため、製作が容易である。

また、第１の実施形態では、それぞれの接着用シートを同一の形状とすることが可能なので、複数の製造機材を使用する必要がなく、製造が簡単且つ容易である。

さらに、接着剤として、シート状に成型されたホットメルト接着剤を用いてそれぞれの接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とを所定の配置で重ね合せた上で全体を加熱圧着しているので、それぞれの部材の接合が簡単且つ容易に実施することが可能である。

なお、上記実施形態では接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とをシート状に成型されたホットメルト接着剤を用いて全体を加熱圧着することで、それぞれの部材間を接合するようにしたが、これらを安定した状態で重ね合せることが難しいときは接着樹脂により各部材間を仮接着した状態で、全体を加熱圧着するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図２３は本発明による燃料電池の第２の実施形態における単位電池の構成部品を図５と同様に図３に準じて切断して分解した状態を示す断面図で、同一部品には同一符号を付してその説明を省略する。

第２の実施形態においては、図２３に示すようにシート状またはロール材として供給されるポリエチレンテレフタレート等の基材の両面にポリエステル等の接着層を形成した後、基材と接着層とを同時に切断加工することで所定形状の接着剤付き接着用シートを製作し、これらの接着剤付き接着用シートとそれぞれの部材を貼り合わせることで単位電池を構成するようにしたものである。

本実施形態と第１の実施形態との相違点は、接着シートと接着剤を同時に切断加工することにより接着剤１４と接着剤１９、接着剤１８と接着剤２６、接着剤２４と接着剤２５が接着剤付き接着用シートと同一形状となり、接着剤の一部がガスまたは冷却水の流通路に対して露出していることである。

一般に燃料電池では燃料電池反応部に外部から不純物が混入することにより電池特性が低下する傾向にあるため、接着剤としては不純物の溶出の少ない材料を使用することが望ましい。

次に上記のように構成された第２の実施形態における燃料電池の作用について述べる。

第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様に燃料マニホルド穴に導入された燃料ガスと空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水がそれぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされるため、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。

このように第２の実施形態では、シート状またはロール材として供給される基材の両面に接着層を形成した後、基材と接着層とを同時に切断加工することで所定形状の接着剤付き接着用シートを製作するようにしているので、その製作に要する手間や時間を大幅に短縮することができる。

また、本実施形態では、それぞれの接着剤付き接着用シートは全て同一形状とすることが可能なので、製造のために複数の製造機材を使用する必要がなく、製造が容易である。

さらに、第１の実施形態と同様にそれぞれの枠部品も平板状またはシート状の材料からの打抜きなどの切断加工またはモールド加工により容易に製作することができる。

また、それぞれの接着剤付き接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とを所定の配置で重ね合せて接着することで、それぞれの部材の接合を容易に行うことができる。

このように本実施形態では、単位電池の組立を簡単且つ容易に行うことができ、作業性の優れたものとなし得る。

（第３の実施形態）
図２４は本発明による燃料電池の第３の実施形態における単位電池の片面溝付きセパレータ枠部材を示す斜視図である。

第３の実施形態においては、第１の実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材１６に代えて、図２４に示すような片面溝付きセパレータ枠部材２８を配置したもので、その他の構成は第１の実施形態と同じである。

本実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材２８は、第１の実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材１６と同様に中央に開口部２８ａを有する枠状の部品であり、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴２８ｂ、空気を流通する空気マニホルド穴２８ｃ、冷却水を流通する冷却水マニホルド２８ｄ、四隅部分にはタイロッド４を挿通させるためのタイロッド貫通穴２８ｅがそれぞれ設けられているが、燃料マニホルド穴２８ｂから片面溝付きセパレータ１５の燃料ガス溝１５ａに燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡部２８ｆは片面溝付きセパレータ枠部材２８の片面に成型された燃料ガス連絡部であり、この燃料ガス連絡部２８ｆの連絡溝のリブ上面は隣接する電極枠接着用シート１３と接触するように形成されている。

次に上記のように構成された第３の実施形態における燃料電池の作用について述べる。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に燃料マニホルド穴に導入された燃料ガスと空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水がそれぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされるため、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。

また、燃料ガス連絡部２８ｆの連絡溝のリブ上面は隣接する電極枠接着用シート１３と接触するように形成されているため、電極枠接着用シート１３は電極枠部材１２と片面溝付きセパレータ枠部材２８とに挟持されており、電極枠部材１２に接着剤１４にて接合されている電極枠接着用シート１３が電極枠部材１２から剥離することを防止できる。

このように第３の実施形態では、単位電池の組立を簡単且つ容易に行うことができ、電極枠接着用シート１３と電極枠部材１２との剥離を防止し、長期の運転において信頼性の高いものとなし得る。

（第４の実施形態）
図２５（ａ）〜（ｄ）は本発明による燃料電池の第４の実施形態における単位電池の構成部品を図４と同様に図３に準じてＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿ってそれぞれ切断して示す断面図、図２６（ａ）〜（ｄ）は図２５の（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する切断部における構成部品を部品毎に分解した状態を示す断面図で、図４および図５と同一部品には同一符号を付してその説明を省略する。

第４の実施形態では、図２５および図２６（ａ）〜（ｄ）に示すように燃料電池電極１１のアノード電極９に接触させてガス不透過性で導電性の素材からなる両面溝付きセパレータ３０を配置し、この両面溝付きセパレータ３０のアノード電極９側とは反対側の面にガス不透過性で導電性の素材からなる片面溝付きセパレータ３１を接触させて配置する構成としたものである。

この両面溝付きセパレータ３０は、アノード電極９との接触面側に燃料ガス溝３０ａを形成し、また、片面溝付きセパレータ３１との接触側の面に冷却水を流通させるための冷却水溝３０ｂを形成したもので、その外周部分にはアノード電極エッジ部９ａに対応させて上向き段差部３０ｃと下向き段差部３０ｄが形成されている。

また、片面溝付きセパレータ３１は、両面溝付きセパレータ３０との接触面と反対側の面に空気を流通させるための空気溝３１ａを形成したものである。

一方、燃料電池電極１１の外周側に配置される電極枠部材１２、両面溝付きセパレータ３０の燃料ガス溝３０ａに対応する外周側に配置されるセパレータ枠部材１６および冷却水溝３０ｂに対応する外周側に配置されるセパレータ枠部材２６、片面溝付きセパレータ３１の空気溝に対応する外周側に配置されるセパレータ段差部枠部材２２については第１の実施形態と同様であり、またこれらの枠部材を燃料電池電極１１のエッジ部分と各セパレータに接着剤によりそれぞれ接着する構成については前述した実施形態と全く同様である。

このように両面溝付きセパレータと片面溝付きセパレータとを第１の実施形態とは逆にして配置する構成としても、前述と全く同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施できるものである。

例えば、第１の実施形態の単位電池１は、片側に燃料電池電極１１を配置し、これとは反対側に両面溝付きセパレータ２０を配置して、シール材２７を介して複数の単位電池１を積層する構成のものであるが、燃料電池電極１１を挟んで一方の面側に両面溝付きセパレータ２０を、他方の面側に片面溝付きセパレータ１５を配置して単位電池を構成した上で両面溝付きセパレータ２０と片面溝付きセパレータ１５のそれぞれの枠部品をシール材を介して積層することも可能である。

また、前述した各実施形態では、電極枠部材１２、セパレータ枠部材１６、両面セパレータ枠部材２１およびセパレータ段差部枠部材２２相互間に接着用シートの両面側に接着剤を設ける構成について述べたが、これら何れか任意の枠部材間に設けられる接着剤に代えて弾性を有するシール材を設けるようにしてもよい。

さらに、シール材の形状として枠部材側の下面に断面が半円弧状の溝を設け、この溝にＯリング状のシール材を嵌合するようにしてもよい。

また、前述した第３の実施形態では、片面溝付きセパレータ枠部材２８の片面に燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡溝２８ｆを設けたが、枠部品の開口部と空気マニホルド穴との連絡部や枠部品の開口部と冷却水マニホルド穴との連絡部を連絡溝として、リブ表面が隣接する部材と接触する構成とすることも可能である。

さらに、燃料電池電極１１、片面溝付きセパレータ１５、両面溝付きセパレータ２０の何れか１つまたは２つの部材を枠部材に相当する部分を含む大きさとし、この枠部材に相当する部分に燃料、冷却水、空気の各マニホルド穴を設けることで枠部材を設けない構成とすることも可能である。

１…単位電池、２…燃料電池積層体、３…締付板、４…タイロッド、５…燃料配管、６…冷却水配管、７…空気配管、８…電解質膜、９…アノード電極、９ａ…アノード電極エッジ部、１０…カソード電極、１０ａ…カソード電極エッジ部、１１…燃料電池電極、１２…電極枠部材、１２ａ…開口部、１２ｂ…燃料マニホルド穴、１２ｃ…空気マニホルド穴、１２ｄ…冷却水マニホルド穴、１２ｅ…タイロッド貫通穴、１３…電極枠接着用シート、１４，１８，１９，２４，２５，２６…接着材、１５…片面溝付きセパレータ、１５ａ…燃料ガス溝、１５ｂ…段差部、１６…片面溝付きセパレータ枠部材、１６ａ…開口部、１６ｂ…燃料マニホルド穴、１６ｃ…空気マニホルド穴、１６ｄ…冷却水マニホルド穴、１６ｅ…タイロッド貫通穴、１６ｇ…連続した開口部、１７，２３…セパレータ接着用シート、２０…両面溝付きセパレータ、２０ａ…冷却水溝、２０ｂ…空気溝、２０ｃ…段差部、２１…両面溝付きセパレータ枠部材、２１ａ…開口部、２１ｂ…燃料マニホルド穴、２１ｃ…空気マニホルド穴、２１ｄ…冷却水マニホルド穴、２１ｅ…タイロッド貫通穴、２１ｆ…冷却水連絡部、２１ｇ…連続した開口部、２１ｈ…空気連絡部、２１ｉ…連続した開口部、２２…両面溝付きセパレータ段差部枠部材、２７…シール材、２７ａ…開口部、２７ｂ…燃料マニホルド穴、２７ｃ…空気マニホルド穴、２７ｄ…冷却水マニホルド穴、２７ｅ…タイロッド貫通穴、２８…片面溝付きセパレータ枠部材、２８ａ…開口部、２８ｂ…燃料マニホルド穴、２８ｃ…空気マニホルド穴、２８ｄ…冷却水マニホルド穴、２８ｅ…タイロッド貫通穴、２８ｆ…燃料ガス連絡部、３０…両面溝付きセパレータ、３１…片面溝付きセパレータ、３０ａ…燃料ガス溝、３０ｂ…冷却水溝、３０ｃ…上向き段差部、３０ｄ…下向き段差部、３１…片面溝付きセパレータ、３１ａ…空気溝

Claims (6)

1. 電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を有するセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、
   前記単位電池は、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方の外周部に前記セパレータの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路にそれぞれ連通するマニホルド穴を有する枠部材が配置され、この枠部材と前記燃料電池電極または前記セパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シートを接着剤により、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方と前記枠部材とにそれぞれ接着して一体化されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは２つのセパレータにより構成され、その一つは片面に第１のガス流通路を有する片面溝付きセパレータであり、もう一つは一方の面に第２のガス流通路を有し、他方の面に冷却水流通路を有する両面溝付きセパレータであることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、前記接着用シートは、前記枠部材と前記セパレータの周縁部に形成された段差部との間に跨って配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路となるガス流通路を有する２つのセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成される燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、
   前記一つのセパレータは、片面に第１のガス流通路が形成され周縁部に段差部を有する片面溝付きセパレータであり、前記もう一つのセパレータは、一方の面に第２のガス流通路が形成されると共に、他方の面に冷却水流通路が形成され周縁部に段差部を有する両面溝付きセパレータであり、
   前記燃料電池電極の外周部に配置され、該燃料電池電極が収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する電極枠部材と、
   前記片面溝付きセパレータの外周部に配置され、該片面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する片面溝付きセパレータ枠部材と、
   前記両面溝付きセパレータの外周部に配置され、該両面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する両面溝付きセパレータ枠部材と、
   前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材との間、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材との間及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材との間に跨ってそれぞれ配置された接着用シートとを有し、
   前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材と、前記各接着用シートとを接着剤によりそれぞれ接着して一体化した枠付き電極及び枠付きセパレータを構成し、
   前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータ枠部材及び両面溝付きセパレータ枠部材のガスマニホルド穴は、前記片面溝付きセパレータ及び両面溝付きセパレータの該当するガス流通路に連通し、また冷却水マニホルド穴は、前記両面溝付きセパレータの冷却水流通路に連通していることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池において、前記接着用シートとこれに隣接する部材との接着に使用される接着剤は、シート状に成型されたホットメルト接着剤であることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池において、前記接着用シートとこれに隣接する部材との接着に使用される接着剤は、シート基材の片面または両面に予め形成された接着層であることを特徴とする燃料電池。

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