JP2017168230A - ガスケット−セパレータ部材接合体とその製造方法およびガスケット−セパレータ部材接合体を用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電領域側へのガスケットの材料の流れ込みを抑制し、かつガス回り込みを抑制するガスケット−セパレータ部材接合体を提供する。【解決手段】カソードセパレータ２上に一体成形されたカソードガスケット１１は、カソードセパレータ２の発電領域４を囲むように非発電領域５に設けられ、カソードガスケット１１から分岐して形成され、カソードガスケット１１と発電領域４の周縁との間の隙間通路を仕切る一つ以上のカソード仕切り部材１２を備え、発電領域４の周縁に近接する部分における非発電領域５からカソード仕切り部材１２の稜線までの高さは、発電領域４と非発電領域５との段差の高さよりも低く、発電領域４の周縁に近接する部分よりもカソード仕切り部材１２との分岐部に近い部分における非発電領域５からカソード仕切り部材１２の稜線までの高さは、発電領域４と非発電領域５との段差の高さよりも高いのである。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスの有効利用を達成するためのガスケット−セパレータ部材接合体を有する燃料電池に関するものである。

高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。

図１３に、このような従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成（セル）の要部概略断面図を示す。燃料電池１００は、主として電解質膜−電極接合体１１３と、電解質膜−電極接合体１１３を挟持する一対の板状のセパレータ、即ち、アノードセパレータ１０１とカソードセパレータ１０２を含む構成のセルを少なくとも１つ具備する。

この電解質膜−電極接合体１１３は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２を挟んで両主面に配置されるアノード触媒層１０８とカソード触媒層１０９と、その両外側に配置される、アノードガス拡散層１１０とカソードガス拡散層１１１とを備える。その両外側にアノードセパレータ１０１およびカソードセパレータ１０２を１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層することでスタック（図示せず）が構成される。

また、アノードセパレータ１０１およびカソードセパレータ１０２の各々の表面には、燃料電池の電極の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのアノードガス流路１０４およびカソードガス流路１０５が形成される。

燃料電池１００において、アノードの燃料ガスは、アノードガス流路１０４より供給し、カソードの酸化剤ガスは、カソードガス流路１０５より供給する。また、これらのガスは、外部にリークしないようにアノードガスケット１１４およびカソードガスケット１１５の双方によってシールされている。

セパレータには、セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる冷却水流路１０３が形成されており、そこに冷却媒体が循環され、燃料電池を冷却している。またこの冷却水は、外部にリークしないようにセパレータ間の冷却水ガスケット（図示せず）により、シールされている。

発電に寄与する発電領域１１６は、電解質膜−電極接合体１１３をアノードセパレータ１０１およびカソードセパレータ１０２で挟持させている領域であり、発電領域１１６の外側の領域は、発電に寄与しない非発電領域１１７である。

アノードガスケット１１４をセパレータに配置する場合は、加工公差や組み立て公差が生じる。そのため、アノードガスケット１１４とアノード触媒層１０８、アノードガス拡散層１１０との間のアノード隙間１０６や、カソード触媒層１０９、カソードガス拡散層１１１とカソードガスケット１１５との間のカソード隙間１０７が生じやすい。

アノード隙間１０６が形成されると、燃料ガスが、アノードガス流路１０４を流れずに当該アノード隙間１０６内を経由して排出側アノードマニホールドに流れ、また酸化剤ガスが、カソード隙間１０７を経由して、排出側カソードマニホールドに流れる現象が生じ
る。

これらの現象をガス回り込みとする。このガス回り込みが生じた場合、発電に必要な反応ガスの利用効率が低下し、その結果、発電性能が低下する。

以上のように、ガス回り込みを抑制する手段として、ガス回り込み防止に関する手法が開示されている（特許文献１参照）。

図１４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結した構造の一例を示した断面の部分拡大図である。

図１４に示すように、アノード第１ガスケット２１３とアノード第３ガスケット２１４およびカソード第１ガスケット２１４とカソード第３ガスケット２１５が連続してセパレータに一体成形されている。

このアノード第１ガスケット２１３と、アノード第３ガスケット２１４およびカソード第１ガスケット２１５と、カソード第３ガスケット２１６の外縁は、電解質膜２０７の厚さ方向から見て、枠体２１２の内縁よりも外側に配置されている。

また、アノード触媒層２０８およびカソード触媒層２０９とアノード流路２０３に接するアノードガス拡散層２１０およびカソード流路２０４に接するカソードガス拡散層２１１を備える燃料電池において、アノードセパレータ２０１のアノード段差側面２０５からアノード第１ガスケット２１３をアノード第３ガスケット２１４にまで連続して設けることでアノード段差側面２０５とアノードガス拡散層２１０との隙間を抑制し、またカソードセパレータ２０２のカソード段差側面２０６からカソード第１ガスケット２１４をカソード第３ガスケット２１５まで連続して設けることで、カソード段差側面２０６とカソードガス拡散層２１１との隙間を抑制している。

さらに、セパレータにガスケットを成形する場合、アノード第１ガスケット２１３とアノード第３ガスケット２１４およびカソード第１ガスケット２１５とカソード第３ガスケット２１６を同時に形成することができるので、製造工程の増加を抑えることができ、コスト低減に寄与することが示されている。

特開２０１４−１７９２５２号公報

しかしながら、特許文献１では、アノードセパレータ２０１の電極面に沿ってアノード第１ガスケット２１３がアノード第３ガスケット２１４まで同じ高さで形成されている。また、カソードセパレータ２０２の電極面に沿ってカソード第１ガスケット２１５がカソード第３ガスケット２１６まで同じ高さで形成されている。

このため、製造後のガスケットの材料収縮率を考慮した場合、アノードセパレータ２０１の段差の高さと同じ高さにするために、アノードセパレータ２０１の段差の高さよりも高く、またカソードセパレータ２０２の段差の高さと同じ高さにするために、カソードセパレータ２０２の段差の高さよりも高くガスケットを形成しなければならない。

これにより、アノードガス流路２０３およびカソードガス流路２０４を有する電極側にガスケットの余分な材料が流れ込み、有効発電面積を低下させる。またアノードセパレータ２０１およびカソードセパレータ２０２で締結されるアノードガス拡散層２１０とカソードガス拡散層２１１のアノード面２０５およびカソード面２０６に余剰のガスケットが形成されることで、局所的にアノード面２０５およびカソード面２０６にガスケットが多くなり、アノードセパレータ２０１およびカソードセパレータ２０２で締結する時に電解質膜２０７に許容以上の応力が発生してしまう。

一方、あらかじめアノードセパレータ２０１およびカソードセパレータ２０２の段差の高さと同じ高さでガスケットを形成する場合、ガスケット製造後にガスケットの材料収縮が生じ、枠体２１２とアノード第１ガスケット２１３とアノード第３ガスケット２１４との間や枠体２１２とカソード第１ガスケット２１４とカソード第３ガスケット２１５との間に隙間が生じ、ガス回り込みが発生するという課題を有していた。

本発明は、従来の課題を解決するもので、発電領域側へのガスケットの材料の流れ込みを抑制し、かつガス回り込みを抑制するガスケット−セパレータ部材接合体とその製造方法、ガスケット−セパレータ部材接合体を用いた燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の電極に反応ガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、前記セパレータ上に一体成形されたガスケット部材とを備えた、ガスケット−セパレータ部材接合体であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体と対向する面に、凸状に形成され前記電極と接触する発電領域と、前記発電領域を囲む非発電領域とを有し、前記ガスケット部材は、前記発電領域を囲むように前記非発電領域に設けられ、前記ガスケット部材から分岐して形成され、前記ガスケット部材と前記発電領域の周縁との間の隙間通路を仕切る一つ以上の仕切り部材を備え、前記発電領域の周縁に近接する部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも低く、前記発電領域の周縁に近接する部分よりも前記ガスケット部材との分岐部に近い部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも高いことを特徴とするのである。

これによって、発電領域へのガスケットの材料の流れ込みを抑制することができる。またガス回り込みを抑制することができるセパレータと一体のガス回り込み防止構造を有することで、安定に発電することができる。

本発明は、電極側へのガスケット材料の流れ込みとガス回り込みを同時に抑制する金型構造で形成されたセパレータと一体のガスケット構造を余分なコストをかけずに製造することができ、かつ供給したガスを回り込みなく電極部に供給できるため、燃料電池の発電効率を高めることができ、安定的して発電できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１における燃料電池のアノードセパレータの平面図 本発明の実施の形態１における燃料電池のカソードセパレータの平面図 本発明の実施の形態１におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結する前の分解断面図 本発明の実施の形態１におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結した後の断面図 本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータと金型を締結したガスケット成形前の断面図 本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形している状態の図５のＡ部の部分断面図 本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形している別の状態の図５のＡ部の部分断面図 本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形しているさらに別の状態の図５のＡ部の部分断面図 本発明の実施の形態１におけるガスケット−セパレータ部材接合体のガスケット成形時の加熱プレス装置の概略図 本発明の実施の形態２における燃料電池のアノードセパレータの平面図 本発明の実施の形態２における燃料電池のカソードセパレータの平面図 本発明の実施の形態２におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結する前の分解断面図 従来の燃料電池の基本構成（セル）の要部概略断面図 従来の燃料電池におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結した構造の一例を示した断面の部分拡大図

第１の発明は、固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の電極に反応ガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、前記セパレータ上に一体成形されたガスケット部材とを備えた、ガスケット−セパレータ部材接合体であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体と対向する面に、凸状に形成され前記電極と接触する発電領域と、前記発電領域を囲む非発電領域とを有し、前記ガスケット部材は、前記発電領域を囲むように前記非発電領域に設けられ、前記ガスケット部材から分岐して形成され、前記ガスケット部材と前記発電領域の周縁との間の隙間通路を仕切る一つ以上の仕切り部材を備え、前記発電領域の周縁に近接する部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも低く、前記発電領域の周縁に近接する部分よりも前記ガスケット部材との分岐部に近い部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも高い、ガスケット−セパレータ部材接合体である。

これにより、セパレータの寸法公差で金型位置がずれた場合においても、発電領域にガスケットのバリを発生させず、また一方でガスの回り込みを効果的に抑制しつつ、隙間通路を仕切る一つ以上の仕切り部材をガスケット一体セパレータの成形を行うことができるため、製造上のコスト低減と共に燃料電池を安定に発電させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域の周縁から前記ガスケット部材との分岐部に向かうにしたがって高くなることを特徴とする。

これにより、仕切り部材に当接する枠体との隙間を確実に無くすことができるため、ガスの回り込みを抑制し、燃料電池をより安定に発電させることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記ガスケット部材と前記仕切り部材が、熱硬化性弾性体、熱可塑性弾性体または熱可塑性樹脂を含む材料で構成されていることを特徴とする。

これにより、ガスケット部材および仕切り部材を別部品とすることなく、セパレータに一体成形することができるため、燃料電池の低コスト化に寄与することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、前記ガスケット部材と前記仕切り部材が、少なくともフッ素ゴムを含む材料で構成されていることを特徴とする。

これにより、燃料電池発電時の燃料ガスおよび酸化剤ガスに暴露された環境であっても耐化学劣化および耐圧縮永久歪性に優れているため、燃料電池部材の耐久性向上に寄与することができる。

第５の発明は、特に、第１から第４の発明のガスケット−セパレータ部材接合体の製造方法であって、前記セパレータの前記発電領域に当接させた金型と前記セパレータの前記非発電領域との間に前記ガスケット部材を加熱成形する、ガスケット−セパレータ部材接合体の製造方法である。

第６の発明は、特に、第１から第４の発明のガスケット−セパレータ部材接合体を備えた燃料電池である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池のアノードセパレータの平面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池のカソードセパレータの平面図である。また、図３は、本発明の実施の形態１におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結する前の分解断面図である。

また、図４は、本発明の実施の形態１におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結した後の断面図である。図５は、本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータと金型を締結したガスケット成形前の断面図である。

また、図６は、本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形している状態の図５のＡ部の部分断面図である。また、図７は、本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形している別の状態の図５のＡ部の部分断面図である。

また図８は、本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータに金型を用いてガスケット一体成形しているさらに別の状態の図５のＡ部の部分断面図である。図９は、本発明の実施の形態１におけるガスケット−セパレータ部材接合体のガスケット成形時の加熱プレス装置の概略図である。

図１に示すアノードセパレータ１は、導入側アノードマニホールド８ａ、導入側冷却水マニホールド９ａおよび導入側カソードマニホールド１０ａと、排出側アノードマニホールド８ｂ、排出側冷却水マニホールド９ｂおよび排出側カソードマニホールド１０ｂを有している。

これらのマニホールドの周囲にアノードガスケット３を設置し、また発電領域４の外側
は、電極反応に寄与しない非発電領域５があり、発電領域４が凸形状になっており、その外周を環状に囲むようにアノードガスケット３がある。また、アノード仕切り部材７がアノードガスケット３と発電領域４の間を仕切るように一定間隔で設置されている。

また、発電領域４は、アノードガス流路６を有している。また、セパレータの材料は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合した材料を用いる。また、ガスケットの材料は、フッ素ゴムを用いる。

図２に示すカソードセパレータ２は、導入側カソードマニホールド１０ａ、導入側冷却水マニホールド９ａおよび導入側アノードマニホールド８ａと、排出側カソードマニホールド１０ｂ、排出側冷却水マニホールド９ｂおよび排出側アノードマニホールド８ｂを有している。

これらのマニホールドの周囲にカソードガスケット１１を設置し、また発電領域４の外側は、電極反応に寄与しない非発電領域５があり、その外周の環状を囲むようにカソードガスケット１１がある。また、カソード仕切り部材１２がカソードガスケット１１と発電領域４の間を仕切るように一定間隔で設置されている。また、発電領域４は、カソードガス流路１５を有している。

また、セパレータの材料は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合した材料を用いる。また、ガスケットの材料は、フッ素ゴムを用いる。

また、図３に示すように、発電領域４は、アノードガスケット３とアノードセパレータ１に設置している面よりも一段高くなっており、アノードガスケット３とアノード斜面１３との隙間を埋めるようにアノード仕切り部材７が設置されている。また、カソードガスケット１１においても同じく、カソードガスケット１１とカソード斜面１４との隙間を埋めるようにカソード仕切り部材１２が設置されている。

また、アノード仕切り部材７の高さは、アノードの発電領域４の高さよりも低いアノード仕切り部材低背領域２４を有している。また、カソード仕切り部材１２においても同じくカソードの発電領域４の高さよりも低いカソード仕切り部材低背領域２５を有している。

また、アノードセパレータ１とカソードセパレータ２には、アノードガス流路６およびカソードガス流路１５の反対側に冷却水流路１６が設けられている。電解質膜−電極接合体２２は、電解質膜２１を挟んで両主面にアノード触媒層１７とカソード触媒層１８とを配置し、その両外側にアノードガス拡散層１９とカソードガス拡散層２０を有し、電解質膜−電極接合体２２の非発電領域５の両外側に、枠体２３を有する。

また、電解質膜−電極接合体２２を枠体２３で固定することで、発電部材２８を形成する。また、枠体の材料は、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いる。また、枠体２３の形状は、略矩形環状とする。

アノードセパレータ１は、アノードガスケット３とアノード仕切り部材７が一体になったアノードガスケット一体セパレータ２６となっている。また、カソードセパレータ２においても同様に、カソードガスケット１１とカソード仕切り部材１２が一体になったカソードガスケット一体セパレータ２７となっている。

図４に示すように、電解質膜−電極接合体２２を枠体２３で固定した発電部材２８は、アノードガスケット一体セパレータ２６およびカソードガスケット一体セパレータ２７で
締結される。

以上のように構成されたガスケット−セパレータ部材接合体とその製造方法およびガスケット−セパレータ部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。

まず、燃料ガスは、導入側アノードマニホールド８ａから発電領域４のサーペンタイン型のアノードガス流路６へ導入され、余剰のガスは、排出側アノードマニホールド８ｂに排出される。導入側アノードマニホールド８ａから導入された燃料ガスは、アノードガスケット３と発電領域４の間の隙間を経由して、排出側アノードマニホールド８ｂに排出されることを防止するため、アノード仕切り部材７が一定間隔で設置されている。

また、酸化剤ガスは、導入側カソードマニホールド１０ａから発電領域４のサーペンタイン型のカソードガス流路１５へ導入され、余剰のガスは、排出側カソードマニホールド１０ｂに排出される。導入側カソードマニホールド１０ａから導入された酸化剤ガスは、カソードガスケット１１と発電領域４の間の隙間を経由して、排出側カソードマニホールド１０ｂに排出されることを防止するため、カソード仕切り部材１２が一定間隔で設置されている。

また、発電部材２８をアノードガスケット一体セパレータ２６とカソードガスケット一体セパレータ２７で締結する場合、アノード仕切り部材７のアノード仕切り部材低背領域２４と、カソード仕切り部材１２のカソード仕切り部材低背領域２５に位置を合わせ、隙間がないように一定の圧力で締結する。

また、締結状態では、図４に示すように、アノードガスケット一体セパレータ２６とカソードガスケット一体セパレータ２７によって発電部材２８が挟持されている。アノードガスケット３とアノード仕切り部材７とアノードガス拡散層１９との接触圧力は、アノードガスケット３とアノード仕切り部材７と枠体２３との接触圧力よりも小さくなっている。

また、カソードガスケット１１とカソード仕切り部材１２とカソードガス拡散層２０との接触圧力もカソードガスケット１１とカソード仕切り部材１２と枠体２３との接触圧力よりも小さくなっている。

これにより、アノード仕切り部材低背領域２４とカソード仕切り部材低背領域２５が各々アノードガス拡散層１９とカソードガス拡散層２０とが密着して隙間をなくすことができる。また、電解質膜２１に局所的な荷重を与えず、電解質膜２１の破膜を抑制することができるため、燃料電池の耐久性や発電性能低下を回避することができる。

次に、本発明の実施の形態１のガスケット−セパレータ部材接合体のガスケットを成形するための金型の位置関係およびガスケットの成形方法について、図５、図６、図７、図８および図９を参照して、詳細に説明する。

図５に示すように、カソードセパレータ２のカソード位置固定部３１と金型２９の金型位置固定部３２の位置を合わせることでガスケットの成形位置を固定する。金型２９は、カソードセパレータ２の発電領域４の高さと同じ高さになるように設計されている。

また、ガスケット材料を流し込むためにカソードセパレータ２と金型２９との間に空間（キャビティ）３０が形成される。金型２９を加熱および加圧することでキャビティ３０にガスケット材料を流し込み、材料を充填したのち、冷却することでガスケット材料を加
硫し、ガスケットを形成させることができる。

図６、図７および図８に示すように、カソード仕切り部材１２の稜線が発電領域４よりも低いカソード仕切り部材低背領域２５を有している。このカソード仕切り部材低背領域２５の長さは、１００μｍとする。成形温度は１００℃とする。また、用いたガスケットの材料の線膨張係数を、０．８３×１０^−６／℃とする。

図６では、セパレータと金型の位置固定を行う際のカソード位置固定部３１が金型位置固定部３２よりも大きい場合を示している。図７は、カソード位置固定部３１が金型位置固定部３２と同じ位置である場合を示している。また、図８は、カソード位置固定部３１が金型位置固定部３２よりも小さい場合を示している。

図７に示すように、設計公差の中心で作製されたカソードセパレータ２の場合、カソード位置固定部３１と、金型位置固定部３２の位置に差がない。一方、カソードセパレータの外周寸法の設計公差から、カソードセパレータ２の公差が大きくなる場合、図６に示すように金型位置固定部３２よりもカソード位置固定部３１が大きくなる。

またカソードセパレータ２の公差が小さくなる場合は、図８に示すように金型位置固定部３２よりもカソード位置固定部３１の寸法が小さくなる。

図９に示すように、カソードセパレータ２へのカソード仕切り部材１２およびカソードガスケット１１を成形する場合、圧縮成形法として、加熱プレス装置を用いることができる。

以下にこの加熱プレス装置を用いたカソードガスケット一体セパレータ部材接合体の製造方法について、詳しく説明する。

カソードセパレータ２は、金型２９と合わされて加熱プレス装置３３にセットされる。カソードセパレータ２に対し、互いに面合わせの状態にした金型２９とカソードセパレータ２との間に生じたキャビティ３０にガスケット材料を充填し、ヒーター（図示せず）によって、熱板３４を介してシリンダー３５の圧力を付加することで押圧を加え、ガスケット材料に加硫を行うことができる。

また、ガスケット材料へ加える圧力は、５０ＭＰａとし、圧縮成形を用いる。また、ガスケット材料の充填量は、全容積に対して１１０％とする。また、金型２９とカソードセパレータ２を１組とし、複数の組み合わせを重ね合わせて、１度にガスケット−セパレータ部材接合体を形成させることもできるため（図示せず）、ガスケット−セパレータ部材接合体の製造工程の時間を低減することができる。

以上のように、本実施の形態は、カソード仕切り部材１２の稜線までの高さが、発電領域４と非発電領域５との段差の高さよりも低く、発電領域４の周縁に近接する部分よりもカソードガスケット１１との分岐部に近い部分における非発電領域５からカソード仕切り部材１２の稜線までの高さが、発電領域４と非発電領域５との段差の高さよりも高くすることにより、カソードセパレータ２の設計公差内で外周寸法に差が生じた場合であっても、発電領域４にガスケットの余剰な材料を発生させず、電解質膜−電極接合体２２とアノードセパレータ１およびカソードセパレータ２で締結することができる。

これにより、カソードガス拡散層２０との隙間を無くすことができ、ガス回り込みを抑えて、発電性能を一層向上させることができる。

また、隙間通路を仕切る一つ以上のカソード仕切り部材１２をガスケット一体セパレータ部材として比較的簡便な加熱プレス装置を用いて一体成形を行うことができ、別の部材でカソード仕切り部材１２を形成することがないため、製造上のコストを低減することができる。

また、ガスケット−セパレータ部材接合体は、カソードセパレータ２を金型２９で固定し、カソードセパレータ２と金型２９の間にできるキャビティ３０に加熱および加圧を加えて所定の形状にすることで、一体成形される。また、ガスケット材料の収縮量を考慮することで、カソード仕切り部材１２の高さが不足し、ガス回り込みが防止できなくなることを抑制することができる。

また、カソード仕切り部材低背領域２５は、金型２９と発電領域４と当接するように設計することで、ガスケット材料の熱膨張の影響を受け、セパレータの発電領域４に余剰のガスケット材料を出すことなく仕切り部材を成型させることができる。なお、本実施の形態は、カソードセパレータに限定するものではない。

なお、加熱加圧を加えて成形する手法は、圧縮成形としたが、インジェクション成形、射出成形、トランスファー成形および粉末成形などを用いてもよい。これら製造方法は、一例であって、カソードガスケット一体セパレータ部材接合体を得られるのであれば、これらの工法に限定されない。

また、加える圧力は、今回は、５０ＭＰａとしたが、プレート材の種類やガスケット材料によっても変わるが、１０ＭＰａから１万ＭＰａ以内であることが好ましい。

また、本実施の形態では、アノードガスケット一体セパレータ２６にアノード仕切り部材７を有し、カソードガスケット一体セパレータ２７にカソード仕切り部材１２を有しているが、アノード仕切り部材７とカソード仕切り部材１２が同一断面に存在しなくてもよい。

アノード仕切り部材７とカソード仕切り部材１２が同一断面に存在に有していない場合は、枠体２３に挟まれた電解質膜−電極接合体２２において、局所的な荷重を与えずに、ガス回り込みを抑制することができる。

また、フッ素ゴム以外においては、熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。

また、ガスケット部材としては、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、ガスケット部材の形状は、特に限定されるものではないが、略矩形環状が好適に用いられる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における燃料電池のアノードセパレータの平面図である。また、図１１は、本発明の実施の形態２における燃料電池のカソードセパレータの平
面図である。

図１２は、本発明の実施の形態２におけるアノードガスケット一体セパレータおよびカソードガスケット一体セパレータで電解質膜−電極接合体と枠体を締結する前の分解断面図である。図３のカソードガスケット一体セパレータと共通形状の箇所に同じ符号を付与している。

図１０に示すアノードセパレータ１は、凸形状の発電領域４の外周を環状に囲むようにアノードガスケット３がある。また、アノード仕切り部材３６がアノードガスケット３と発電領域４の間を仕切るように一定間隔で設置されている。また、発電領域４は、アノードガス流路６を有している。その他の構造は、実施の形態１と同様である。

図１１に示すカソードセパレータ２は、凸形状の発電領域４の外周を環状に囲むようにカソードガスケット１１がある。また、カソード仕切り部材３７がカソードガスケット１１と発電領域４の間を仕切るように一定間隔で設置されている。また、発電領域４は、カソードガス流路１５を有している。その他の構造は、実施の形態１と同様である。

図１２に示すように、アノード仕切り部材７とアノードガスケット３は、アノードの発電領域４の高さよりも低い、アノード仕切り部材低背領域２４を有している。さらに、アノード仕切り部材７のアノードガスケット３のアノードガスケットリップ３ａに向かうと共にガスケットの高さが高くなる上り勾配領域３８を有している。

また、カソードも同様に、カソード仕切り部材低背領域２５から、カソードガスケット１１のカソードガスケットリップ１１ａに向かうと共にガスケットの高さが高くなる上り勾配領域３８を有している。その他の構造は、実施の形態１と同様である。

以上のように構成された、ガスケット−セパレータ部材接合体とその製造方法およびガスケット一体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。

アノード仕切り部材７の高さがアノードガスケット３のアノードガスケットリップ３ａに向かうにつれて高くなる、上り勾配領域３８を有することによって、発電部材２８を締結した場合に、アノードガスケットリップ３ａとアノード仕切り部材７との間の隙間をより確実に無くすことができる。

また、カソードについても同じく、上り勾配領域３８を有することによって、カソードガスケットリップ１１ａとカソード仕切り部材１２との隙間をより確実に無くすことができる。

以上のように、本実施の形態は、上り勾配領域３８を有することによって、これに当接する枠体２３との隙間をより確実に無くすることができるため、ガスの回り込みを防止でき、燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、カソード仕切り部材１２をカソードガスケット１１と同じ部材を用いることで、別部材を設置することがなく達成できるため、低コスト化に寄与することができる。

本発明は、部品点数を減らし、組立性を向上させ、コスト低減すると共に燃料電池の発電に必要な供給ガスを効果的に活用し、安定に発電し、また低コストで生産することができるため、燃料電池の信頼性向上と電池性能に寄与することができるため、高信頼性低コスト燃料電池の技術分野に有用である。

１ アノードセパレータ
２ カソードセパレータ
３ アノードガスケット
３ａ アノードガスケットリップ
４ 発電領域
５ 非発電領域
６ アノードガス流路
７，３６ アノード仕切り部材
８ａ 導入側アノードマニホールド
８ｂ 排出側アノードマニホールド
９ａ 導入側冷却水マニホールド
９ｂ 排出側冷却水マニホールド
１０ａ 導入側カソードマニホールド
１０ｂ 排出側カソードマニホールド
１１ カソードガスケット
１１ａ カソードガスケットリップ
１２，３７ カソード仕切り部材
１３ アノード斜面
１４ カソード斜面
１５ カソードガス流路
１６ 冷却水流路
１７ アノード触媒層
１８ カソード触媒層
１９ アノードガス拡散層
２０ カソードガス拡散層
２１ 電解質膜
２２ 電解質膜−電極接合体
２３ 枠体
２４ アノード仕切り部材低背領域
２５ カソード仕切り部材低背領域
２６ アノードガスケット一体セパレータ
２７ カソードガスケット一体セパレータ
２８ 発電部材
２９ 金型
３０ 空間（キャビティ）
３１ カソード位置固定部
３２ 金型位置固定部
３３ 加熱プレス装置
３４ 熱板
３５ シリンダー
３８ 上り勾配領域

Claims (6)

1. 固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の電極に反応ガスを供給するガス流路が形成されたセパレータと、前記セパレータ上に一体成形されたガスケット部材とを備えた、ガスケット−セパレータ部材接合体であって、
   前記セパレータは、前記膜電極接合体と対向する面に、凸状に形成され前記電極と接触する発電領域と、前記発電領域を囲む非発電領域とを有し、
   前記ガスケット部材は、前記発電領域を囲むように前記非発電領域に設けられ、
   前記ガスケット部材から分岐して形成され、前記ガスケット部材と前記発電領域の周縁との間の隙間通路を仕切る一つ以上の仕切り部材を備え、
   前記発電領域の周縁に近接する部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも低く、前記発電領域の周縁に近接する部分よりも前記ガスケット部材との分岐部に近い部分における前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域と前記非発電領域との段差の高さよりも高い、ガスケット−セパレータ部材接合体。
2. 前記非発電領域から前記仕切り部材の稜線までの高さは、前記発電領域の周縁から前記ガスケット部材との分岐部に向かうにしたがって高くなる、請求項１に記載のガスケット−セパレータ部材接合体。
3. 前記ガスケット部材と前記仕切り部材が、熱硬化性弾性体、熱可塑性弾性体または熱可塑性樹脂を含む材料で構成されている、請求項１または２に記載のガスケット−セパレータ部材接合体。
4. 前記ガスケット部材と前記仕切り部材が、少なくともフッ素ゴムを含む材料で構成されている、請求項３に記載のガスケット−セパレータ部材接合体。
5. 請求項１から４に記載のガスケット−セパレータ部材接合体の製造方法であって、
   前記セパレータの前記発電領域に当接させた金型と前記セパレータの前記非発電領域との間に前記ガスケット部材を加熱成形する、ガスケット−セパレータ部材接合体の製造方法。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載のガスケット−セパレータ部材接合体を備えた燃料電池。