JP4096027B2 - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜−電極接合体と導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。

固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、周縁部にガスをシールするためのガスケットを配した枠体で支持された高分子電解質膜と、前記電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソードが接合されて構成される電解質膜−電極接合体(MEA)と、前記MEAを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板とを有して構成され、前記アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部が、前記セパレータ板の内の前記MEAと当接する中央部の周縁に形成されている。

しかし、この従来の固体高分子電解質型燃料電池は、図12に示すように枠体300とセパレータ301との組立て上の必要性から、枠体300の内縁と電極302との間に隙間303があることから、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間303を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きる。

又、この現象の改善の為、図13に示すように、この隙間303に第2のガスケット308を配置したり(特許文献1)、ガスケットの内縁の一部と電極302の外縁が部分的に接する様に設置する手段(特許文献2)が提案されている。

又、高分子電解質膜は枠体厚みのほぼ中央に組み込まれており、その接合方法として熱圧着、接着剤、機械的クランプなどが採用されている。

特願 2004−296702 特開 2005−100970号公報

しかしながら、前記した高分子電解質膜の熱圧着又は接着による接合方法では、高分子電解質膜に熱、及び接着剤の揮発成分による性能低下を招く可能性があり、条件が限られていた。また、前記機械的クランプによる接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小な隙間からクロスリークが発生し易いといった問題が発生していた。

前記特許文献1の手法として、枠体300の内縁と電極302との間に隙間303を防止する第2のガスケット308を配置することによりコストがかかるといった問題がある。さらに、このガスケット308を部分的に溶融させて隙間を埋めるとき、寸法管理が困難であるといった問題もある。

前記特許文献2の手法として、ガスケットの内縁の一部と電極302の外縁との部分的な接触では、効果が不十分であり、又、ガス拡散電極は一般にもろい炭素繊維が主成分の為、組み立て時に電極にダメージ与えやすいといった問題もある。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜の片方の面にアノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第2態様によれば、前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、第1の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第3態様によれば、前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、第2態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第4態様によれば、前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした第2の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第5態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした第1〜4のいずれか1つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第6態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第1〜4のいずれか1つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第7態様によれば、前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第5の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第8態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第6の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第9態様によれば、前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした第7の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第10態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第1〜4のいずれか1つの態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第11態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第5の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第12態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第6の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第13態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第7の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第14態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第8の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第15態様によれば、前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした第9の態様に記載の固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の第16態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第1電極及び第2電極と、
前記第1電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第1セパレータと、
前記第2電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第2セパレータと、
前記第1電極及び前記第2電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
前記第1電極の外縁と前記枠体の第1電極側の内縁との間に第1弾性体が設けられており、
前記第1電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第2電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
前記第1電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第2電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
固体高分子型燃料電池を提供する。

本発明の第17態様によれば、前記第2電極の外縁と前記枠体の第1電極側の内縁との間に第2弾性体がさらに設けられている第16の態様に記載の固体高分子型燃料電池を提供する。

前記構成によれば、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、例えば平面的には枠状のアノード側弾性体と平面的には枠状のカソード側弾性体とを備えるとともに、各弾性体は、単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有するようにして、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止するようにしている。このようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したアノード側弾性体が枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。同様に、カソード側でも、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体を弾性変形させ、弾性変形したカソード側弾性体が枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。

この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したカソード側弾性体とにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。

また、高分子電解質膜などを保持する枠体の内側の縁部に、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブとカソード側リブとを、さらに、それぞれ備えるようにすれば、単セルの組立時に、枠体とアノード側セパレータとの間でアノード側弾性体とアノード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するアノード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブがほぼ連続的に枠体とアノード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セルの組立時に、枠体とカソード側セパレータとの間でカソード側弾性体とカソード側リブとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、例えば隣接するカソード側リブとの間の空間にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブがほぼ連続的に枠体とカソード側セパレータとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。

この結果、弾性変形したアノード側弾性体と弾性変形したアノード側リブと弾性変形したカソード側弾性体と弾性変形したカソード側リブとにより枠体とアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、枠体の縁部沿いの還元剤ガスの短絡的な流れ及び枠体の縁部沿いの酸化剤ガスの短絡的な流れをそれぞれ抑制することができて、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図1に示す。また、図1に示す燃料電池101が備える燃料電池用スタック(以降、スタックという。)の模式分解図を図2に示す。

燃料電池101は、例えば固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図1に示すように、燃料電池101には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル(あるいは単セル)が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック30と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器31と、燃料処理器31にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器32と、酸素含有ガス(酸化剤ガス)に対しての加湿を行うカソード加湿器33と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ34、35とが備えられている。すなわち、燃料処理器31、アノード加湿器32、及びポンプ34により燃料ガスをスタック30の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、カソード加湿器33とポンプ35とにより酸化剤ガスをスタック30の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得るが、本実施形態においては、スタック30が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本実施形態の効果を好適に得ることができる。

また、燃料電池101には、発電の際にスタック30にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ36と、この冷却水(例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。)により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器37と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク38とが備えられている。さらに、燃料電池101には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置40と、スタック30にて発電された電気を取り出す電気出力部41とが備えられている。

また、図2に示すように、この燃料電池101が備えるスタック30は、基本単位構成である単セル(単電池モジュール)20を複数個積層し、集電板21、絶縁板22、端板23で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板21には、電流取り出し端子部21aが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板22は、集電板21と端板23の間を絶縁するとともに、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板23は、複数枚積層された単セル20と集電板21、絶縁板22を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。

図2に示すように、単セル20は、MEA(膜電極複合体)15を一対のセパレータ5b,5cで挟み込むようにして構成されている。MEA15は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1aのアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層(アノード側触媒層)112を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層(カソード側触媒層)113を形成し、これらの触媒層112及び113の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層114を配置して構成されたものである。高分子電解質膜1aは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製ナフィオン膜)が一般に使用される。なお、以下では、アノード側触媒層112とガス拡散層114とを合わせてアノード電極1bと呼び、カソード側触媒層113とガス拡散層114とを合わせてカソード電極1cと呼ぶものとする。

なお、この明細書及び請求の範囲では、電極とは、少なくともGDL(ガス拡散層)を含むものを意味する。

セパレータ5b,5cは、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものが一般的に用いられる。セパレータ5b,5cにおけるMEA15と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層114と接することで、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス拡散層114は、その基材として一般的に炭素繊維で構成されたものを用いることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。

前記単セル20の一例を図3A及び図3Bに拡大して詳細に示す。

前記単セル(単電池モジュール)20は、長方形の高分子電解質膜1aの片方の面にアノード電極1bが接合されかつ前記電解質膜1aの他方の面にカソード電極1cが接合されて構成される電極部1Eと、前記電極部1Eの周縁部に置かれかつ前記アノード電極1b及び前記カソード電極1cにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部2x,2y(図8A〜図8C参照)を具備した、剛体のマニホールド形成用の長方形の枠体2とを有して構成される電極−膜−枠接合体(MEA(膜電極複合体))15と、前記電極部1E及び前記電極−膜−枠接合体15をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータ5b,5cとを備えて構成し、この単セル20を積層して高分子電解質型燃料電池101を構成するようにしている。

前記構成において、例えば、高分子電解質膜1aの周囲縁部は、枠体2の高分子電解質膜挿入用スリット2aに挿入されて挟持させることにより高分子電解質膜1aと枠体2とが機械的に接合されている。また、高分子電解質膜1aの両面には、アノード電極1bとカソード電極1cが接着固定されている。

このようにして高分子電解質膜1aの両面にアノード電極1bとカソード電極1cとが接着固定されてMEA(膜電極複合体)15を構成し、このMEA(膜電極複合体)15を一対のセパレータ5b,5cで挟み込んで、前記したように単セル20を構成している。この単セル20においては、アノード電極側セパレータ5bはアノード電極1bに対向し、カソード電極側セパレータ5cはカソード電極1cに対向している。

図3C及び図3Dに示すように、下記の弾性体を設けない場合の単セル組立後の状態では、アノード電極1bの外縁とカソード電極1cの外縁のそれぞれと、枠体2の内縁2b,2cとの間には0.1mm〜10mmの範囲で隙間6がある。この隙間6があると、電池内に供給されたガスの一部は、この隙間6を伝って排出されてしまうクロスリークといわれる現象が起きるのである。この隙間6を無くすために、ここに、すなわち、図3Aに示されるように、枠体2のアノード側の内縁2bとアノード電極1bの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図3Aにおける断面的には矩形(別の例として図4Eでは大略平行四辺形)のアノード側弾性体4bを配置し、このアノード側弾性体4bを枠体2とアノード電極1bとの成形時にこれらと一体化させる。また、枠体2のカソード側の内縁2cとカソード電極1cの外縁との両方に接触するように平面的には矩形枠状で図3Aにおける断面的には矩形(別の例として図4Eでは大略平行四辺形)のカソード側弾性体4cを配置し、このカソード側弾性体4cを枠体2とカソード電極1cとの成形時にこれらと一体化させる。これらの弾性体4b,4cは、この時、高分子電解質膜1aには、それぞれ当接することにより機械的に接合しているだけで、接着している必要はない。

このように弾性体4b,4cを設けた状態で、図3Bに示すように、セパレータ5b,5cを枠体2に積層して組み立てるとき、枠体2の枠体組立面9とセパレータ5b,5cのそれぞれのセパレータ組立て面10とはそれぞれ接近することになるが、この時、枠体2とセパレータ5b,5cとの隙間7よりも、弾性体4b,4cとセパレータ5b,5cとの対向面間の隙間8を小さく設定するように、弾性体4b,4cを設けている。このように構成することにより、前記組立時に、枠体2の枠体組立面9とセパレータ5b,5cのそれぞれのセパレータ組立て面10とがそれぞれ最接近位置に位置する(図3B参照)前に、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5cにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。そして、組立完成後、言い換えれば、枠体2の枠体組立面9とセパレータ5b,5cのそれぞれのセパレータ組立て面10とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図3Bに示されるように、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5cにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5c側からそれぞれ圧縮力を受けることになる。このとき、図3Aに参照符号6Gで示すように、弾性体4b,4cが組立て前と組立て後とで、寸法6Gだけ、弾性体4b,4cがセパレータ組立て面10沿いに広がることにより、組立て前に弾性体4b,4cとセパレータ5b,5cのセパレータ組立て面10での段部5b−1,5c−1との隙間(言い換えれば、電池内に供給されたガスの一部が排出されてしまう隙間)を無くすことができて、クロスリーク現象を効果的に抑制することができる。

ただし、図3Eに示すように、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間6Hが残る場合があるが、このような場合には、図3F及び図4A〜図4Bに示すように、セパレータ5b,5cのセパレータ組立て面10での段部5b−1,5c−1(図3A参照)に、図3Fでのセパレータ5b,5cの外側から内側に向けてなだらかな傾斜面5f,5gを形成している。一方、この傾斜面5f,5gに対応して、大略同様な傾斜角度を有するアノード側傾斜面4b−2とカソード側傾斜面4c−2を弾性体4b,4cの図3Fにおける断面形状にかつ平面形状においては全周に形成するようにしている。この結果、図3Fから図3G及び図4A〜図4Dに示すように、弾性体4b,4cを設けた状態で、セパレータ5b,5cを枠体2に積層して組み立てるとき、対向する傾斜面同士が互いに大略平行な、枠体2の枠体組立面9とセパレータ5b,5cのそれぞれのセパレータ組立て面10とがそれぞれ最接近位置に位置する(図3G及び図4D参照)前に、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5cにそれぞれ確実に接触して弾性変形を開始することになる。このとき、弾性体4b,4cの傾斜面4b−2,4c−2がセパレータ5b,5cの傾斜面5f,5gに接触し、組立完成後、言い換えれば、枠体2の枠体組立面9とセパレータ5b,5cのそれぞれのセパレータ組立て面10とがそれぞれ最接近位置に位置した後は、図3G及び図4Dに示されるように、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5cにより押圧されてそれぞれ弾性変形した状態となり、弾性体4b,4cがセパレータ5b,5c側からそれぞれ圧縮力を受けるとともに、弾性体4b,4cの傾斜面4b−2,4c−2がセパレータ5b,5cの傾斜面5f,5gに圧縮力を受けながら密着することになる。よって、組立て精度誤差のために生ずる可能性のあった、わずかな隙間6Hも無くすことができて、枠体内縁部分でのクロスリーク現象も抑制することができ、全体としてクロスリーク現象をより一層効果的に抑制させることができる。

弾性体4b,4cの内縁は、セパレータ5b,5cを枠体2に積層して組み立てるとき、これらの弾性体4b,4cがセパレータ5b,5cに接触しても、弾性体4b,4cの弾性力によりセパレータ5b,5cが破損する可能性が低いため、セパレータ5b,5cと弾性体4b,4cとの隙間6Gは、従来の弾性体が無かったときよりも狭く設定することができる。場合によっては、前記隙間6Gの距離が0でも弾性体4b,4cの為、問題はない。

また、別の例として、図4E及び図4Fに示すように、前記弾性体4b,4cの全周にアノード側傾斜面4b−3とカソード側傾斜面4c−3とをそれぞれ備えて、当該アノード側傾斜面4b−3とカソード側傾斜面4c−3に、ショートカット防止用に突出したアノード側リブ4dとカソード側リブ4eとをそれぞれ形成するようにしてもよい。リブ4d,4eは、前記したそれぞれの傾斜面4b−3,4c−3に所定間隔毎に一体的に突起として形成している。これらのリブ4d,4eは、図4G及び図4Hに示すように、単セル組立時に、アノード側傾斜面4b−3とカソード側傾斜面4c−3と大略平行なセパレータ5b,5cの傾斜面5f,5gによりそれぞれ圧縮されて弾性変形することにより、セパレータ5b,5cに密着してガスリークを防止しようとするものである。それぞれのリブ4d,4eが圧縮されて弾性変形するときの弾性変形した部分は、隣接するアノード側リブ4dとアノード側リブ4dとの間のアノード側凹部(圧縮体積逃がし部)4f、又は、隣接するカソード側リブ4eとカソード側リブ4eとの間のカソード側凹部(圧縮体積逃がし部)4g内にそれぞれ逃げるようにしている。これらの凹部4f,4gは、図4Iに示されるように、単セル組立時にセパレータ5b,5cにより、アノード側弾性体4bとカソード側弾性体4cが、それぞれ、例えば0.1mmだけ圧縮可能に設定されるとともに、アノード側リブ4dとカソード側リブ4eが、それぞれ、例えば0.05mmだけ圧縮可能に設定されている。そして、このアノード側凹部4fの総体積は、平面的に矩形枠状のアノード側弾性体4bの全周の体積と、アノード側弾性体4bの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ4dの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ5bと枠体2の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、アノード側弾性体4bの弾性変形した部分と、リブ4dが弾性変形した部分が共にアノード側凹部4f内に入り込むことにより、アノード側凹部4fがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。同様に、前記カソード側凹部4gの総体積は、平面的に矩形枠状のカソード側弾性体4cの全周の体積と、カソード側弾性体4cの長手方向沿いに一定ピッチ間隔で設けられたリブ4eの総体積との総和にほぼ相当するように設定する。これは、言い換えると、単セル組立時に、セパレータ5cと枠体2の縁部との間で圧縮されて弾性変形するとき、カソード側弾性体4cの弾性変形した部分と、リブ4eが弾性変形した部分が共にカソード側凹部4g内に入り込むことにより、カソード側凹部4gがほぼ隙間なく弾性変形部分で満たされてシールされることを意味する。このように設定することによって、セパレータ組立後に、凹部4f,4gの隙間が無くなり、ガスリークを効果的に防止することができる。

なお、アノード側凹部4fの底面とカソード側凹部4gの底面は、それぞれ、前記した弾性体4b,4cのアノード側傾斜面4b−3とカソード側傾斜面4c−3となっている。

なお、前記枠体2には、図8A〜図8Cに示すように、少なくとも各一対の、燃料ガス用マニホールド孔15b、酸化剤ガス用マニホールド孔15a、冷却水用マニホールド孔15cが設けられ、また、単セル20同士を締結するボルト(図示せず)を貫通させるための複数個の貫通孔16を有している。前記枠体2の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔15aからはカソード電極1c側に酸化剤ガスを供給して排出する。前記枠体2の一対の燃料ガス用マニホールド孔15bからアノード電極1b側に燃料ガスを供給して排出する。また、隣接する単セル20同士のセパレータ5b,5cの互いに対向する背面間には、一対の冷却水用マニホールド孔15cから冷却水を供給して排出する。

図8Cに示すように、枠体2は、さらに、カソード電極1cが位置する側の表面である枠体組立面9に、酸化剤ガス用マニホールド孔15a及び酸化剤ガス流路(ガス流路部)2yを含みかつカソード電極1cにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケット3cを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、図8Bに示すように、枠体2のアノード電極1bが位置する側の表面である枠体組立面9に、燃料ガス用マニホールド孔15b及び燃料ガス流路(ガス流路部)2xを含みかつアノード電極1bにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケット3bを、平面的には矩形枠状で断面的には半円形状の凸部となるように形成している。また、前記ガスケット3b及び3cは、それぞれ、前記それぞれのガスが通過する領域(マニホールド)とは隔離して冷却水用マニホールド孔15cのみを囲むようにしている。よって、単セル組立後には、ガスケット3b,3cがセパレータ5b,5cのセパレータ組立て面10の凹部5d,5e内にそれぞれ挿入され当接して弾性変形することにより、カソード側とアノード側とでそれぞれ独立して燃料ガス及び酸化剤ガスのリーク並びに冷却水のリークを防止するようにしている(図4D及び図4Hなど参照)。

また、MEA(膜電極複合体)15のカソード電極1cの面において、酸化剤ガス用マニホールド孔15aよりカソード電極1c側へのガス流路19は、図9A及び図9Bに示すように、枠状のカソード側弾性体4cのうちの一部であってかつ枠体2のガス流路部2yに相当するガス流路部分4c−1を、枠体2の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このカソード側弾性体4cのガス流路部分4c−1に対向するカソード側セパレータ5cのガス流路部には、ガス流路部用凹部5c−1(図8Aで符号5c−1で示された平行四辺形の斜線部分の凹部であって、実際には、この斜線部分は空間である。)を形成している。よって、単セル組立後には、カソード側弾性体4cのガス流路部分4c−1とカソード側セパレータ5cとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、カソード側弾性体4cのガス流路部分4c−1の近傍にはカソード側リブ4eは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。

また、アノード側も同様な構造であって、MEA(膜電極複合体)15のアノード電極1bの面において、燃料ガス用マニホールド孔15bよりアノード電極1b側へのガス流路19は、枠状のアノード側弾性体4bのうちの一部であってかつ枠体2のガス流路部2xに相当するガス流路部分4b−1(図8A及び図8Cのガス流路部分4c−1と同様な部分であって、図8B参照。)を、枠体2の厚さと同じ程度に低くし、かつ、このアノード側弾性体4bのガス流路部分4b−1に対向するアノード側セパレータ5bのガス流路部には、ガス流路部用凹部5b−1(図8Aのガス流路部用凹部5c−1と同様な部分であって、図示せず。)を形成している。よって、単セル組立後には、アノード側弾性体4bのガス流路部分4b−1とアノード側セパレータ5bとの間には、ガス供給用の空間を確実に形成することができる。なお、アノード側弾性体4bのガス流路部分4b−1の近傍にはアノード側リブ4dは設けないようにして、ガス流路を確保するようにすることが好ましい。

前記弾性体4b,4c及び前記リブ4d,4eの材料の一例としては熱可塑性樹脂エラストマが好ましい。その理由は、もし弾性体4b,4cに熱硬化性樹脂を使用すると、流動性が非常に低い為、熱硬化性樹脂が電極1b,1cの内部にまで含浸して(矢印66参照)、電極1b,1cの部分の有効面積を小さくする可能性がある(図8D参照)。これに対して、本実施形態のように弾性体4b,4cに熱可塑性樹脂を使用すると、成形時に流動する溶融樹脂が電極1b,1cに触れると急速に冷却、固化して、電極1b,1cの内部には含浸せず、電極1b,1cの部分の有効面積に悪影響を与えないとともに、成形圧力により、枠体2と電極1b,1cの接合部分の形状に合致した緻密なシール(言い換えれば、転写性の良い所望形状のシール)を形成することができるといった効果を発揮させることができる。

弾性体、リブ、ガスケットの具体的な材料の例としては、オレフィン系熱可塑性樹脂エラストマの一種である、三井化学株式会社製のミラストマー(登録商標)の高硬度銘柄のM3800が挙げられる。また、弾性体及びリブにおいて、弾性変形を、それぞれ、より確実に行わせるための条件としては、JIS K 6253(ISO 7619)で規定されているA50〜A90又はD37〜D60の弾性を有するようにすればよい。

枠体2の具体的な材料の例としては、株式会社プライムポリマーのR−250G又は350Gであり、セパレータ5b,5cとしては、金属、例えばステンレス鋼(SUS)に金メッキの表面処理を施したもの、チタンに金メッキの表面処理を施したものなどを使用することができ、セパレータ5b,5cの具体的な材料の例としては、外寸120mm×120mm、厚み3.0mmの樹脂含浸黒鉛板(東海カーボン(株)製グラッシーカーボン)が挙げられる。なお、特に、自動車用材料としては、ステンレス鋼(SUS)に表面処理がされた金属セパレータなどが好ましい。

また、枠体2が存在する効果としては、マニホールドを構成することができる効果に加えて、部材のハンドリングが容易となること、及び、枠体2でセパレータ5b,5cを当止めすることができ、これによってセパレータ5b,5cと電極1b,1cとの接触圧力を最適に保つことができる。例えば、図8Eに示すように枠体2が無く、高分子電解質膜1aにガスケット3b,3cを直接配置した場合、図8F(初期時)及び図8G(長期間使用後)に示すように、電極1b,1cは柔らかい為、ガスケット3b,3cが長期使用で潰れてくると、セパレータ5b,5c間の間隔寸法が徐々に小さくなり電極1b,1cにセパレータ5b,5cが強く当るようになってくる(矢印67参照)。このとき、図8H及び図8Iに示すように、セパレータ5b,5cを枠体2に当て止めることができて、長期圧縮荷重に対して、セパレータ5b,5c間の間隔寸法68を安定させることが出来る。

単セル20の組立時にセパレータ5b,5cが電極−膜−枠接合体15に積層されると、図3B、図4G、図4Hに示すように、弾性体4b,4cとリブ4d,4eはセパレータ5b,5cによってそれぞれ圧縮される。この結果、弾性体4b,4cの圧縮力により高分子電解質膜1aを高分子電解質膜1aの厚み方向沿いに加圧する為、高分子電解質膜1aと弾性体4b,4cは接着していなくとも、この加圧力と弾性体4b,4cの弾力で、弾性体4b,4cと高分子電解質膜1aの隙間12(図3A参照)は確実に封止される。又、セパレータ5b,5cと枠体2との間での弾性体4b,4cとリブ4d,4eの弾性変形により、アノード電極1bの外縁とカソード電極1cの外縁のそれぞれと枠体2の内縁2b,2cとの間の隙間6(図3D参照)も前記従来例よりも大幅に小さく、すなわち隙間6の空間を大幅に小さくすることができるか、又は、前記隙間6を無くすことができる。

従って、前記第1実施形態によれば、高分子電解質膜1aなどを保持する枠体2の内側の縁部に、平面的には枠状のアノード側弾性体4bと平面的には枠状のカソード側弾性体4cと、所定間隔毎に多数配置されたアノード側リブ4dとカソード側リブ4eとをそれぞれ備えるようにしたので、単セル20の組立時に、枠体2とアノード側セパレータ5bとの間でアノード側弾性体4bとアノード側リブ4dとをそれぞれ前記電極−膜−枠接合体15の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するアノード側リブ4dの間の空間であるアノード側凹部(圧縮体積逃がし部)4f内にそれぞれ入り込み、弾性変形したアノード側弾性体4bと弾性変形したアノード側リブ4dがほぼ連続的に枠体2とアノード側セパレータ5bとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。また、カソード側でも同様に、単セル20の組立時に、枠体2とカソード側セパレータ5cとの間でカソード側弾性体4cとカソード側リブ4cとをそれぞれ弾性変形させ、弾性変形した部分が、隣接するカソード側リブ4cの間の空間であるカソード側凹部(圧縮体積逃がし部)4g内にそれぞれ入り込み、弾性変形したカソード側弾性体4cと弾性変形したカソード側リブ4eがほぼ連続的に枠体2とカソード側セパレータ5cとの間に密着接触して封止することにより、シール効果を奏することができる。

この結果、弾性変形したアノード側弾性体4bと弾性変形したアノード側リブ4dと弾性変形したカソード側弾性体4cと弾性変形したカソード側リブ4eとにより枠体2とアノード側セパレータ5b及びカソード側セパレータ5cとの間がそれぞれ密着封止されて、高分子電解質膜1aと枠体2との間の隙間12(図3A参照)を抜けるクロスリーク現象(従来例において、図8Aに矢印18で示すようなクロスリークが発生する現象)を効果的に抑制することができ、かつ、枠体2の縁部沿いの還元剤ガス11aの短絡的な流れ及び枠体2の縁部沿いの酸化剤ガス11bの短絡的な流れ(図3A参照)をそれぞれ抑制することができて、還元剤ガス11aと酸化剤ガス11bのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる。

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の単セルの概略構成を示す概略断面図を図5Aに示す。

この第2実施形態においては、前記第1実施形態の前記単セルにおいて、アノード側セパレータ5bの傾斜面5fとカソード側セパレータ5cの傾斜面5gとを平面的に全周枠状に設けるのではなく、部分的に設けるようにしたものである。また、前記第1実施形態では、前記した弾性体4b,4cのアノード側傾斜面とカソード側傾斜面が、アノード側凹部4fの底面とカソード側凹部4gの底面としたが、これに限られるものではなく、アノード側リブ4dの表面とカソード側リブ4eの表面として捉えてもよい。また、アノード側凹部4fの底面とカソード側凹部4gの底面、又は、アノード側リブ4dの表面とカソード側リブ4eの表面は、それぞれ、セパレータ5b,5cの傾斜面5f,5gと大略平行に形成するものに限らず、多少傾斜角度が異なっても良く、要するに、単セル組立時に、前記したようなアノード側リブ4dとカソード側リブ4eの弾性変形による密着封止効果を奏することができればよい。

このように設定すると、電極−膜−枠接合体15とセパレータ5b,5cの積層時に、弾性体4b,4cの上面だけでなく、弾性体4b,4cの傾斜面側でもアノード側リブ4dとカソード側リブ4eにより安定して密着封止することができるため、還元剤ガス11a及び酸化剤ガス11bのそれぞれの遮断性が一層向上することになる。又、これらの傾斜面は単セル積層組立時に、電極−膜−枠接合体15とセパレータ5b,5cとの相対的な位置決めを容易にするなどのガイドの機能も果たすことができ、組立性を向上させることができる。

(変形例)
なお、本発明は前記複数の実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

例えば、前記それぞれの実施形態の高分子電解質膜1aにおいて、弾性体4b,4cにて成形一体化される範囲以上に、アノード電極1b及びカソード電極1cの保護のためのさらに一層の補強膜13(図5A及び図5B参照)があっても、同様の効果が得られる。

また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、アノード側弾性体4b、カソード側弾性体4cが配置された部分では、この弾性変形効果によって、ガスケット3b,3cと同様なガスのシール効果が得られ、還元剤ガス11a及び酸化剤ガス11bがそれぞれシールされるため、外周にガスケット3b,3cを配置しない構造も可能となる。

また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図6に示すように、弾性体4b又は4cと同様な弾性体4hを、枠体2のアノード側の枠体組立面9又はカソード側の枠体組立面9の片方にのみ、全周又は部分的に配置し、アノード側の枠体組立面9又はカソード側の枠体組立面9の他方には、セパレータ5b,5cの積層時の弾性体4hの圧縮圧を受けるために、枠体2を内縁方向の中心側に向けて延長した延長部2hを形成するようにしてもよい。このように、弾性体4hは片方だけでも、相応の効果が得られるとともに、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側の枠体組立面9又は前記カソード側の枠体組立面9の一方側にのみ弾性体4hを配置すればよいので、製造上、容易になる。この場合、延長部2hを形成するため、図6に示すように、カソード電極1cの外縁の位置をアノード電極1bの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。

なお、この別の変形例及び他の変形例又は実施形態(図5A及び図5Bを除く)においては、補強膜13は無くてもよい。

また、別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図7Aは、前記片側の弾性体4b,4cを、前記電極−膜−枠接合体の枠体2のアノード側の枠体組立面9とカソード側の枠体組立面9とで相互に位置をずらす事で、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体4b,4cそれぞれの耐変形強度を小さくすることができて、単セル20の設計自由度を高めた例である。この場合の弾性体4b,4cも、全周又は部分的に配置するようにしてもよい。この場合も、延長部2hを形成するため、図7Aに示すように、カソード電極1cの外縁の位置をアノード電極1bの外縁の位置をよりも内側に位置させるようにしている。

より具体的な例として、図7Aに示すように、カソード電極1cの外縁の位置をアノード電極1bの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体4b,4cの位置をずらせるために、図7B〜図7Dに示すように、アノード電極1bとカソード電極1cとの大きさを異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極1cを正方形のアノード電極1bよりも大きくすることができる。

このような図7B〜図7Dの構成によれば、図7Aの別の変形例の基本的な代表例であり、弾性体4b,4cを単純に枠体2の全周にそれぞれ配置した形状であり、構造が簡単なものとなっている。

また別の具体的な例として、図7Aに示すように、カソード電極1cの外縁の位置をアノード電極1bの外縁の位置をよりも内側に位置させて弾性体4b,4cの位置をずらせるために、図7E〜図7Gに示すように、アノード電極1bとカソード電極1cとの大きさは同じであるが、配置位置を互いに異ならせるようにしてもよい。一例として、正方形のカソード電極1cと同じ大きさの正方形のアノード電極1bを図7Fにおいて斜め方向に位置を互いにずらせることができる。

このような図7E〜図7Gの構成によれば、以下のような効果がある。すなわち、図7B〜図7Dの構成ではアノード電極1bとカソード電極1cの大きさが異なるものであるのに対して、図7E〜図7Gの構成によれば、例えば一種類のプレス型が準備するだけでよいため、電極製作が容易になるとともに、弾性体4b,4cの周長が同じになり、成形性を向上させることができる。

またさらに別の具体的な例として、図7Aに示すように、カソード電極1cの外側の弾性体4cの位置とアノード電極1bの外側の弾性体4bの位置とをずらせるために、図7H〜図7Jに示すように、アノード電極1bとカソード電極1cとの大きさを異ならせるとともに、それぞれ、四辺形ではなく、アノード電極1bとカソード電極1cとの外縁において、部分的にフランジ部を交互に張り出すように形成した形状とし、かつ、アノード電極1bとカソード電極1cの各外側に配置する弾性体4b,4cの配置位置を正方形ではなく、各電極1b,1cの外縁に沿ったジグザグ状に配置するようにしてもよい。一例として、カソード電極1cをアノード電極1bよりも大きくするとともに、カソード電極1cの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体4cとアノード電極1bの外縁に沿ってジグザグ状に配置する弾性体4bとが互いに所定間隔で違いに交差して内側と外側に交互に位置するように配置されるようにしてもよい。なお、図7Iは、単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図であり、弾性体4b成形用の隙間6iと弾性体4c成形用の隙間6jとが連続して枠状に形成されている。図7Jでは、それらの枠状の隙間6i,6jに弾性体4b,4cがそれぞれ成形されて形成された状態の概略断面図である。

このような図7H〜図7Jの構成によれば、図7E〜図7Gの例と比べて、アノード電極1bとカソード電極1cの中心を一致させることができて、製品全体のバランスが良い。

なお、さらに別の具体的な例として、図7Aに示すように、カソード電極1cの外側の弾性体4cの位置とアノード電極1bの外側の弾性体4bの位置とをずらせるために、図7K〜図7Mに示すように、長方形のアノード電極1bと長方形のカソード電極1cとの大きさを異ならせるとともに、アノード電極1bの長手辺(或いは短手辺)においてカソード電極1cが明確にはみ出すようにしてもよい。

前記色々と記載したように、アノード電極1b側の弾性体4bとカソード電極1c側の弾性体4cの位置をずらせることによって、一体化成形時の成形圧力を受け易くし、成形時の成形圧力に対する弾性体4b,4cそれぞれの耐変形強度を小さくすることができる上に、高分子電解質膜1aの変形も防止することができることについて、詳しく説明する。

図11Aに示すように、アノード電極側の弾性体4bとカソード電極側の弾性体4cの位置をずらせていない場合に、アノード電極側の金型61b内にアノード電極1bを配置し、カソード電極側の金型61c内にカソード電極1cを配置し、アノード電極側の金型61bとカソード電極側の金型61cとの間に枠体2及び高分子電解質膜1aを挟み込むようにしてアノード電極側の金型61bとカソード電極側の金型61cとを図11Bに示すように型締めする。次いで、図11Cに示すように、型締めされたアノード電極側の金型61bとカソード電極側の金型61c内に溶融樹脂を注入すると、弾性体4bと4cとが対向する部分のキャビティ61gでは、溶融樹脂は高分子電解質膜1aでのみその圧力を受けることになる。すると、高分子電解質膜1aは強度がないので、図11Cに参照符号62で示すように、溶融樹脂の圧力で高分子電解質膜1aが変形する可能性がある。

これに対して、図11Dに示すように、アノード電極側の弾性体4bとカソード電極側の弾性体4cの位置をずらせている場合には、アノード電極側の金型61d内にアノード電極1bを配置し、カソード電極側の金型61e内にカソード電極1cを配置し、アノード電極側の金型61dとカソード電極側の金型61eとの間に枠体2及び高分子電解質膜1aを挟み込むようにしてアノード電極側の金型61dとカソード電極側の金型61eとを図11Eに示すように型締めする。次いで、図11Fに示すように、型締めされたアノード電極側の金型61dとカソード電極側の金型61e内に溶融樹脂を注入すると、弾性体4bのキャビティ61hでは、溶融樹脂は高分子電解質膜1aの背後に位置したカソード電極側の金型61eで受けることになり、弾性体4cのキャビティ61iでは、溶融樹脂は高分子電解質膜1aの背後に位置した枠体2の延長部2h及びアノード電極側の金型61dで受けることになる。よって、成形時の樹脂圧力を受ける面は、金型、又は金型で受けられた枠体2があるので、高分子電解質膜1aは変形することはない。

また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図10A及び図10Bに示すように、前記弾性体4b,4cを、枠体2ではなく、セパレータ5b,5cに配置するようにしてもよい。

また、さらに別の変形例としては、前記それぞれの実施形態において、図10C及び図10Dに示すように、前記弾性体4b,4cを枠体2に配置するとともに、弾性体4b,4cに接触して圧接可能な弾性体45b,45cをセパレータ5b,5cにも配置するようにしてもよい。セパレータ5b,5cに配置された弾性体45b,45cは、セパレータ5b,5cの傾斜面5f,5gと同様な傾斜面45b−1,45c−1を有して、同様な機能を発揮するようにしている。

前記第1実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池を用いた実施例について説明する。

図5A、及び図8Aにおいて、高分子電解質膜1aを、例えば、Dupont社のナフィオン「Nafion(登録商標)のN−117」、50μm厚の樹脂材料からトムソン型により打ち抜いて形成した。この高分子電解質膜1aのそれぞれの面にアノード電極1b、カソード電極1cを接合し、この高分子電解質膜1a―電極接合体15をインサート部品として、グラスファイバー添加ポリプロピレン(例えば、出光石油化学株式会社 R250G)を用いて、枠体2を樹脂成形により形成した。

このようにして形成した枠体2には、図8Aに示すように、少なくとも各一対の燃料ガス用マニホールド孔15b、酸化剤ガス用マニホールド孔15a、冷却水用マニホールド孔15cが設けられ、またセルを締結するボルトを貫通させるための複数個の貫通孔16を有していた。

枠体2は、さらに、カソード電極1cが位置する側の表面である枠体組立面9に、酸化剤ガス用マニホールド孔15a及び酸化剤ガス流路2yを含みかつカソード電極1cにおいて酸化剤ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔15cを囲むガスケット3cを有している。また、枠体2は、アノード電極1bが位置する側の表面である枠体組立面9に、燃料ガス用マニホールド孔15b及び燃料ガス流路2xを含みかつアノード電極1bにおいて燃料ガスが通過する全領域を囲むとともに冷却水用マニホールド孔15cを囲むガスケット3bを同様に有している。また、アノード電極1b及びカソード電極1cの両面において、燃料ガス用マニホールド孔15b及び酸化剤ガス用マニホールド孔15aよりそれぞれの電極側へのガス流路19は、図9に示すように、枠状の弾性体4b,4cのうちの一部であってかつ枠体2のガス流路部2x,2yに相当するガス流路部分4b−1,4c−1を、枠体2の厚さと同じ程度に低くし、かつ、この弾性体4b,4cのガス流路部分4b−1,4c−1に対向するセパレータ5b,5cのガス流路部には、ガス流路部用凹部5b−1,5c−1を形成して、ガス流路方向に補強の為のリブ4d,4eを設けた。

この実施例では、各電極1b,1cの外縁は120mm角で厚さは0.5mm、枠体2は厚さ2mmで内縁は125mm角とした。そして、この電極の外縁と枠体の内縁の間に、熱可塑性樹脂エラストマを成形することにより、電極1b,1cと枠体2を一体化した。弾性体4b,4cとしては熱可塑性樹脂エラストマを使用し、初期厚さ2.2mmで、セパレータ5b,5cにて弾性体4b,4cのセパレータ5b,5cへの接合面を枠体2と同一面に設定することで、積層時の弾性体圧縮量は、アノード電極側、カソード電極側、各々0.10mmに設定した。

弾性体4b,4cの内縁側の電極面側への傾斜面としては、高分子電解質膜1aに対する直交方向に対して、30度だけ傾斜するように形成した。

以上のように製作した電極−膜−枠接合体15をアノード側用セパレータ5bとカソード側用セパレータ5cで両側から挟み込むことにより、単セル20とした。

このような単セル20を50セル積層し、積層した50セルの両端部には金属製の集電板21と電気絶縁材料の絶縁板22、さらに端板23と締結ロッドで固定し、水素と空気を通じ、冷却水を循環して電池試験を行った結果、弾性体無しの場合に比較し、ガス利用率を6%向上させることが出来た。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる固体高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と枠体との間の隙間を抜けるクロスリーク現象を効果的に抑制することができ、かつ、還元剤ガスと酸化剤ガスのそれぞれの利用率を一層向上させることができ、高分子電解質型燃料電池の性能をより改善することができる燃料電池として有用である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図である。 図2は、図1に示す燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解図である。 図3Aは、前記燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図3Bは、前記単セルの組立後の概略断面図である。 図3Cは、弾性体が無い場合の比較例の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図3Dは、前記弾性体が無い場合の比較例の単セルの組立後の概略断面図である。 図3Eは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間が残る場合を説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図3Fは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図3Gは、組立て精度誤差のために生じうる、わずかな隙間を除去することを説明するための、燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図4Aは、前記単セルの組立前の斜視図である。 図4Bは、前記単セルの組立前の一部拡大断面模式図である。 図4Cは、前記単セルの組立後の斜視図である。 図4Dは、リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図である。 図4Eは、前記リブ付きの単セルの組立前の斜視図である。 図4Fは、前記リブ付きの単セルの組立前の一部拡大断面模式図である。 図4Gは、前記リブ付きの単セルの組立後の斜視図である。 図4Hは、前記リブ付きの単セルの組立後の一部拡大断面模式図である。 図4Iは、前記単セルの弾性体付近の拡大断面模式図である。 図5Aは、本発明の第2実施形態にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図5Bは、図5Aの前記単セルの組立後の概略断面図である。 図6は、前記第1又は第2実施形態の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図7Aは、前記第1又は第2実施形態の別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図7Bは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図7Cは、前記図7Bの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。 図7Dは、前記図7Bの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。 図7Eは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図7Fは、前記図7Eの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。 図7Gは、前記図7Eの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。 図7Hは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の電極−膜−枠接合体の概略平面図である。 図7Iは、前記図7Hの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前でかつ弾性体成形前の概略断面図である。 図7Jは、前記図7Hの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後(弾性体成形後)の概略断面図である。 図7Kは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図7Lは、前記図7Kの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略平面図である。 図7Mは、前記図7Kの変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの電極−膜−枠接合体の概略断面図である。 図8Aは、前記第1実施形態の前記単セルの枠体本体の平面図である。 図8Bは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第1実施形態の前記単セルの枠体のアノード側の表面の正面図である。 図8Cは、前記枠体本体にガスケットを配置した状態での前記第1実施形態の前記単セルの枠体のカソード側の表面の正面図である。 図8Dは、弾性体に熱可塑性樹脂を使用することを説明するための前記枠体の部分拡大図である。 図8Eは、枠体が無い場合の不具合を説明するため、枠体が無く、高分子電解質膜に2つのガスケットを直接配置した場合の燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図8Fは、図8Eの場合の前記単セルの組立後の初期時の概略断面図である。 図8Gは、図8Eの場合の前記単セルの組立後でかつ長期間使用後の概略断面図である。 図8Hは、枠体が有る場合の前記燃料電池用スタックの前記単セルの組立前の概略断面図である。 図8Iは、図8Hの場合の前記単セルの組立後の初期時及び長期間使用後の概略断面図である。 図9Aは、前記第1実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立前の概略断面図である。 図9Bは、前記第1実施形態の前記単セルのガス流路部分の組立後の概略断面図である。 図10Aは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図10Bは、前記図10Aの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図10Cは、前記第1又は第2実施形態のさらに別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立前の概略断面図である。 図10Dは、前記図10Cの別の変形例にかかる燃料電池用スタックの単セルの組立後の概略断面図である。 図11Aは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせていない場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図である。 図11Bは、図11Aの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図である。 図11Cは、図11Aの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図である。 図11Dは、アノード電極側の弾性体とカソード電極側の弾性体の位置をずらせている場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め前の工程の説明図である。 図11Eは、図11Dの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型型締め中の工程の説明図である。 図11Fは、図11Dの場合の燃料電池用スタックの単セルを成形するときの金型の溶融樹脂注入工程の説明図である。 図12は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体とセパレータの分解断面図である。 図13は、従来例の固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜−電極接合体の断面図である。

Claims (17)

  1. 高分子電解質膜の片方の面にアノード電極が接合されかつ前記電解質膜の他方の面にカソード電極が接合されて構成される電極部と、前記電極部の周縁部に置かれかつ前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部を具備したマニホールド形成用枠体とを有して構成される電極−膜−枠接合体と、前記電極部及び前記電極−膜−枠接合体をアノード側及びカソード側から挟む一対のセパレータとを備えて構成される単電池モジュールを積層してなる高分子電解質型燃料電池であって、
    前記電極部の外縁と前記枠体の内縁の間に弾性体が設けられ、この弾性体は前記枠体に一体となって接合されており、且つ単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法以上の長さを有して、前記単電池モジュール組立て後に前記弾性体が前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に弾性変形して前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間を密着封止する固体高分子電解質型燃料電池。
  2. 前記弾性体に、前記セパレータと接触して弾性変形可能な複数のショートカット防止用リブを備えて、前記単電池モジュール組立て後に前記リブが前記電極−膜−枠接合体の厚み方向に対して交差する方向に弾性変形する、請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  3. 前記複数のリブの間には、前記リブの弾性変形した部分及び前記弾性体の弾性変形した部分が逃げ込む凹部が備えられて、前記弾性体の弾性変形した部分及び前記リブの弾性変形した部分を前記凹部内に延出させる、請求項2に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  4. 前記弾性体は、前記ガス供給部近傍では、前記単電池モジュール組立て後の前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとの間隔寸法未満の長さを有して、前記弾性体と前記セパレータとの間に、ガス供給用の空間を形成するようにした請求項2に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  5. 前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側又は前記カソード側の一方側にのみ配置し、前記電極−膜−枠接合体の他方側には、前記枠体を内縁方向の中心側に向けて延長して形成してセパレータ積層時の前記弾性体の圧縮圧を受ける延長部を有するようにした請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  6. 前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  7. 前記弾性体は、前記電極−膜−枠接合体の前記アノード側と前記カソード側のそれぞれに配置し、かつ、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項5に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  8. 前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項6に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  9. 前記高分子電解質膜の片方の面に接合された前記アノード電極の外縁の位置と前記高分子電解質膜の他方の面に接合された前記カソード電極の外縁の位置とを相互にずらせて配置することにより、前記アノード側の前記弾性体の位置と前記カソード側の前記弾性体の位置を相互にずらせて配置するようにした請求項7に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  10. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  11. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項5に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  12. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項6に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  13. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項7に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  14. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項8に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  15. 前記枠体は、前記カソード電極が位置する側の表面である枠体組立面に、酸化剤ガス用マニホールド孔及び酸化剤ガス流路を含みかつ前記カソード電極において酸化剤ガスが通過する全領域を囲んで酸化剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成するとともに、前記枠体の前記アノード電極が位置する側の表面である別の枠体組立面に、燃料ガス用マニホールド孔及び燃料ガス流路を含みかつ前記アノード電極において燃料ガスが通過する全領域を囲んで燃料剤ガス用マニホールドを形成するガスケットを突出して形成して、前記単電池モジュール組立て後に前記ガスケットのそれぞれが前記枠体の厚み方向に弾性変形して前記枠体と前記セパレータとの間を密着封止するようにした請求項9に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  16. 高分子電解質膜と、
    前記高分子電解質膜を挟みかつ少なくともガス拡散層を備える第1電極及び第2電極と、
    前記第1電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第1セパレータと、
    前記第2電極に反応ガスを供給し排出するための流路を有する第2セパレータと、
    前記第1電極及び前記第2電極の周縁部に配置された矩形の開口部を有する枠体とで構成される固体高分子型燃料電池であって、
    前記第1電極の外縁と前記枠体の第1電極側の内縁との間に第1弾性体が設けられており、
    前記第1電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部が、対向する前記第2電極の前記ガス拡散層の外縁より外側に延伸して配置されており、
    前記第1電極の前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部と、前記枠体の前記第2電極側の内縁の少なくとも一部とが、互いに対向して配置される、
    固体高分子型燃料電池。
  17. 前記第2電極の外縁と前記枠体の第1電極側の内縁との間に第2弾性体がさらに設けられている請求項16に記載の固体高分子型燃料電池。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7794864B2 (en) 2007-04-13 2010-09-14 Panasonic Corporation Fuel cell module, fuel cell, and method of manufacturing fuel cell module

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006071234A1 (en) 2004-12-28 2006-07-06 Utc Fuel Cells, Llc Mea seal structure containing catalyzed layer
JP5146630B2 (ja) * 2006-06-29 2013-02-20 Nok株式会社 補強枠体と一体のガスケット及びその製造方法
WO2008129840A1 (ja) * 2007-03-30 2008-10-30 Panasonic Corporation 高分子電解質型燃料電池および電極-膜-枠接合体の製造方法
JP5286887B2 (ja) * 2008-03-31 2013-09-11 大日本印刷株式会社 固体高分子型燃料電池用補強シート付き膜・電極接合体およびその製造方法
EP2306567B1 (en) * 2008-05-28 2014-03-26 Panasonic Corporation Fuel cell
US8211591B2 (en) * 2008-09-11 2012-07-03 GM Global Technology Operations LLC Subgasket window edge design relief
DE102009016934A1 (de) * 2009-04-08 2010-10-14 Daimler Ag Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle
US9350034B2 (en) * 2009-07-17 2016-05-24 Nok Corporation Fuel cell gas diffusion layer integrated gasket
KR20110013963A (ko) 2009-08-04 2011-02-10 기아자동차주식회사 연료전지용 분리판
CN102687325B (zh) * 2010-01-14 2015-03-11 本田技研工业株式会社 燃料电池
US20110177423A1 (en) * 2010-01-21 2011-07-21 Anton Nachtmann Five-Layer Membrane Electrode Assembly with Attached Border and Method of Making Same
US20110229790A1 (en) * 2010-03-19 2011-09-22 Kenji Sato Fuel cell module and fuel cell stack
US8919746B2 (en) * 2011-01-13 2014-12-30 Dana Canada Corporation Humidifier for fuel cell systems
US9735438B2 (en) 2011-01-13 2017-08-15 Dana Canada Corporation Humidifier for fuel cell systems
EP2668689B1 (en) * 2011-01-28 2017-06-14 Audi AG Fuel cell seal
JP5790088B2 (ja) * 2011-03-31 2015-10-07 日産自動車株式会社 燃料電池セル
JP5741920B2 (ja) * 2011-04-07 2015-07-01 日産自動車株式会社 燃料電池セル
US8822100B2 (en) * 2011-11-14 2014-09-02 GM Global Technology Operations LLC Method of controlling thickness of form-in-place sealing for PEM fuel cell stacks
JP6274608B2 (ja) * 2012-03-15 2018-02-07 日産自動車株式会社 燃料電池
US10276879B2 (en) 2012-06-18 2019-04-30 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell
ES2663446T3 (es) 2012-07-24 2018-04-12 Nuvera Fuel Cells, LLC Disposición de estructuras de flujo para uso en celdas electroquímicas de alta presión diferencial
CA2909137C (en) * 2013-04-22 2018-03-27 Nissan Motor Co., Ltd. Cell structure for fuel cell stack
JP6194186B2 (ja) * 2013-04-26 2017-09-06 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP6104152B2 (ja) 2013-12-26 2017-03-29 本田技研工業株式会社 樹脂枠付き膜電極構造体
KR101481354B1 (ko) * 2013-12-30 2015-01-09 현대자동차주식회사 연료전지 mea
US9990684B2 (en) 2014-05-01 2018-06-05 Sammy Hejazi Mailport for automated parcel carriers
JP6383203B2 (ja) * 2014-07-25 2018-08-29 Nok株式会社 プレート一体ガスケットの製造方法
DE102014221351A1 (de) * 2014-10-21 2016-04-21 Volkswagen Ag Brennstoffzelle
JP6487701B2 (ja) * 2015-01-30 2019-03-20 Nok株式会社 燃料電池用ガスケット
KR101806641B1 (ko) * 2015-12-16 2017-12-08 현대자동차주식회사 연료전지의 단위 셀 사출금형
JP6521912B2 (ja) 2016-07-25 2019-05-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池単セルおよびその製造方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3068365B2 (ja) * 1993-05-10 2000-07-24 三菱重工業株式会社 燃料電池のガスシール構造体
JPH0845517A (ja) 1994-07-28 1996-02-16 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子電解質型燃料電池用シール構造及びその製造方法
WO2000054352A1 (en) * 1999-03-10 2000-09-14 Flexfab Horizons International, Inc. Fuel cell gasket assembly and method of assembling fuel cells
JP2001118592A (ja) * 1999-10-18 2001-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池及び電池スタック
JP3866050B2 (ja) * 2000-05-02 2007-01-10 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP2001351651A (ja) * 2000-06-07 2001-12-21 Honda Motor Co Ltd 電解質・電極接合体および燃料電池
JP2002042838A (ja) 2000-07-31 2002-02-08 Honda Motor Co Ltd 燃料電池、多孔質導電体・シール構造体の製造方法及び電極膜構造体の製造方法
JP4818546B2 (ja) * 2001-08-29 2011-11-16 本田技研工業株式会社 膜・電極構造体
JP2004296702A (ja) 2003-03-26 2004-10-21 Kyocera Corp 半導体発光素子の製造方法
CN1536698B (zh) * 2003-04-02 2010-12-15 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池
JP4439966B2 (ja) * 2003-04-02 2010-03-24 パナソニック株式会社 燃料電池用電解質膜構造、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造、及び燃料電池
JP4599115B2 (ja) * 2003-08-22 2010-12-15 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池
CA2477358C (en) 2003-08-22 2012-03-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
DE102004028141C5 (de) 2004-06-10 2015-11-19 Elcomax Membranes Gmbh Membran-Elektroden-Modul (MEA) für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
US7851100B2 (en) * 2004-10-08 2010-12-14 Panasonic Corporation MEA-gasket assembly and polymer electrolyte fuel cell using same
JP4450716B2 (ja) * 2004-10-20 2010-04-14 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP3897808B2 (ja) 2005-04-01 2007-03-28 松下電器産業株式会社 Mea、meaの製造方法及び高分子電解質形燃料電池
KR101270856B1 (ko) 2005-04-01 2013-06-05 파나소닉 주식회사 Mea, mea의 제조방법 및 고분자 전해질형 연료 전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7794864B2 (en) 2007-04-13 2010-09-14 Panasonic Corporation Fuel cell module, fuel cell, and method of manufacturing fuel cell module

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