JP4223663B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池、例えば電気自動車等で使用される燃料電池に関する。
尚、本明細書では主に固体高分子型燃料電地について記述するが、リン酸型燃料電池についても本発明を適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を他方の電極に酸化剤を供給し、電池内にて、燃料の酸化を電気化学的に反応させ、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。
この燃料電池には、電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００３】
さて、燃料電池における電気化学的反応は、次の通りである。
燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路より電流を取り出すとき、下記のような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
このとき、燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ずる。
このような燃料電池の運転には、燃料電池から電流を取り出すと共に、ガスと水とを効率よく流通させるためのセパレータが重要となり、種々のセパレータが提案されている。例えば、特許第１５０２６１７号及び特許第１６０４０４８号、或いは、特開平３−２０６７６３（ＵＳＰ５、１０８、８４９）号公報等で示されている。
【０００４】
図１７は、従来の燃料電池における単電池の概念的な構成を示す断面図、図１８はセパレータの平面図である。
図１７及び図１８において、符号１及び２は何れも板状に形成された導電性のセパレータである。以下、説明の都合上、符号１を第１セパレータ、２を第２セパレータともいう。
又、符号３は酸化剤電極、４は燃料電極、５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質膜であり、酸化剤電極３及び燃料電極４と共に単電池６が構成される。単電池６は上記第１セパレータ１と第２セパレータ２とに挟持されている。
【０００５】
図中の符号１０は、第１セパレータ１の上記酸化剤電極３側に向いた面に形成された、流体としての酸化剤ガスが通る流体流路、即ち酸化剤ガス流路である。
この酸化剤ガス流路は、酸化剤電極３へ酸化剤ガスとして例えば空気や酸素ガスを供給するため、酸化剤電極３に接する所要領域内、即ち酸化電極３に接してこれを支持する電極支持部１８に、多数の平行な溝が蛇腹状に密集するように形成されたものである。
【０００６】
又、符号１１は第２セパレータ２の上記燃料電極４側に向いた面に形成された、流体としての燃料ガスを通す流体流路、即ち燃料ガス流路である。
この燃料ガス流路は、上記の燃料電極４へ燃料ガスである例えば水素ガスを供給するため、燃料電極４に接する所要領域内、即ち燃料電極４に接してこれを支持する電極支持部（非図示）に、多数の平行な溝が蛇腹状に形成されたものであって、上記酸化剤ガス流路１０と同様な形態の溝から成っている。
燃料電池は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に、例えば、上記第１セパレータ１と単電池６と第２セパレータ２というような順に、積層された積層体として構成されている。
【０００７】
次に、積層体中の各単電池６への所要の流体としてのガスの給排を説明する。
先ず、酸化剤としての流体は、積層体を積層方向に貫通するよう設けられた空気供給用のマニホールド２４から、第１セパレータ１の面１７に設けられた供給用の連通部１２ａを介して、電極支持部１８に配された流体流路（所要領域）１０を経て、排出用の連通部１２ｂを介して、空気排出用のマニホールド２５へと流れて出て行く。
他方、燃料としての水素ガスも積層体を貫通する燃料供給用のマニホールド２６から、以下、図示されていない第２セパレータの面に設けられた供給用の連通部（１２ａと同様）を介して、電極支持部（１８と同様）に配された流体流路（（１０と同様））を経て、排出用の連通部（１２ｂと同様）を介して、燃料排出用のマニホールド２７へ流れて出て行く。
上記のように、各セパレータの面に形成された溝状の各流体流路１０や連通部１２ａ、１３ａは、当該セパレータ（の面）に当接するようにして隣接される単電池６やセパレータとの間、或いはセパレータとセパレータとの間を、ガスケットやシール材等を用いて密着させることで、系外、例えば燃料と空気間のような異種の流体や流体流路との間とを隔離させ、密閉させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような、各種流体を通す所要のマニホールドと相応する流体流路（所要領域）とを連通させる連通部（１２ａ、１２ｂ）は、他の系と密閉して画されるべき所要領域としての例えば電極支持部（１８）を囲うように当該セパレータの面上を巡るシール材が、当該連通部（１２ａ、１２ｂ）を横断する方向に延在しているので、その同一面上の交差部分においては、例えば、燃料側が空気側に対して圧力が高くなる等の差圧によって、比較的剛性の劣る単電池６側が連通部（例えば図中の１２ａ）の溝の開口側を横断する方向に沿って変形してしまうため、密閉状態を十分に維持することが困難になる、という問題があった。
【０００９】
この問題を解決するため、図１９に示すように、連通部１２の畝上部を削って、その上に補強板９を載置するという工夫が、特許公報平１−６０８９９号等で提案されている。
しかし、このような工夫は、単電池１枚に対して、所要数の連通部に応じようとすると、１枚のセパレータにおいて、最低でも４つの補強板９を配設せねばならず、数十乃至数百枚の積層が必要な燃料電池においては、製造コストの大幅な増大を招き、しかも、構造並びに製造工程が複雑となるため、欠陥率や故障率等が増加する虞れもあって、実際的ではない。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解消し、延在するシール材と同一面上で交差する溝状の流体流路、例えば、上記のような連通部における構造を改良することによって、密閉状態を十分に維持することができ、構造が簡易で、大量生産が可能な燃料電池の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の燃料電池の発明は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池に当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、前記流体流路が形成されたセパレータの面から当該セパレータの面と反対側の面に貫通する連通孔を介して、当該セパレータの面と反対側の面に隣接された更に他のセパレータの面に形成された溝状の流路を経て所要のマニホールドに連通させたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の燃料電池の発明は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池と当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、当該連通部、及び、少なくとも、前記流体流路や所要のマニホールドを、前記流体流路や所要のマニホールドを流れる流体とは異なる流体が流れる空間と画するように延在するシール剤を前記セパレータの面に垂直な方向から同一平面に投影したときにシール剤と交差する部分を、前記セパレータと隣接する更に他のセパレータの内部に延在して前記流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通孔としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、連通孔を除く部分の連通部は、セパレータの面に形成された溝状の流体流路であることを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池において、流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に、所要領域を囲むよう設けられた案内溝にシール剤を施こし、流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に相対する単電池或いは他のセパレータを当接させて、前記シール剤を固化させたシール構造を有することを特徴とする。
【００２４】
【実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１を図１乃至図４に基づいて説明する。図１は単電池の平面模式図、図２は単電池に当接されるセパレータの一方の面（表）側の平面模式図、図３は前記セパレータの他方の面（裏）の平面模式図、図４は単電池とセパレータとの積層状態を示す要部断面模式図である。
図１及び図４において、単電池５６及びセパレータ５２には、各積層体の所要領域の流体流路に所要の流体を給排するため、当該セパレータ５２を積層方向に貫通するように、流体としての酸化剤例えば空気供給用のマニホールド２４及び空気排出用のマニホールド２５や、流体としての燃料例えば水素供給用のマニホールド２６及び水素排出用のマニホールド２７や、流体としての冷却媒体例えば冷却水供給用のマニホールド２８や冷却水排出用のマニホールド２９等が、積層方向に適当数設けられている。
【００２５】
図２及び図３において、単電池５６に当接されるセパレータ５２の面（表）１９には、単電池５６の電極側と対応する当該面内の所要領域、例えばアノードを支持する領域２０に、所要の流体としての燃料を通す流体流路としての燃料流路（所要領域）３１が設けられている。流体流路（３１）はセパレータの表面側に溝状の流路として形成されている。
この燃料流路３１の給排用の連通部としての両端部は、所要のマニホールド２６、２７と燃料流路３１とを連通させる流路であり、当該所要領域内において、当該セパレータ５２の面１９（表）から他方の面２１（裏）に向けて、当該セパレータ５２の内部を例えば貫通して通る貫通孔、この例では、供給用の流路としての貫通孔３５ａ及び排出用の流路としての貫通孔３５ｂとを介して、当該セパレータ５２の他方の面（裏）２１側に通じ、更に、当該セパレータ５２の他方の面（裏）２１に形成された流体流路としての溝、即ち供給用の溝３３ａ及び排出用の溝３３ｂを経て、それぞれ燃料供給用のマニホールド２６や燃料排出用のマニホールド２７と連通されている。
前記セパレータ５２の他方の面（裏面）２１に形成された溝３３ａ、溝３３ｂ及び当該面２１に開口する貫通孔３５ａ、３５ｂの開口部は、当該セパレータ５２の他方の面（裏面）２１に当接された更に他のセパレータ５３によって密閉されるように覆われて、即ち当接されて、所要のマニホールド２６、２７に通じる流路となっている。
【００２６】
図４において、符号６０、６１はシール剤である。シール剤は、単電池５６と当該単電池５６を挟持するように当接された一方のセパレータ５１と他方のセパレータ５２との間の、単電池５６に向いた面側にそれぞれ施された所要領域としての流体流路を、他の流体の系と隔絶させるように画し、所要の流体を所要の流体流路に密閉する、即ち、各流体の流路を完全な閉空間で隔離するため、当該所要領域を囲むように巡らされるもので、このシール剤６０、６１は、所要領域としての燃料供給用のマニホールド２６をシールしている例である。
【００２７】
更に、上記のシール剤６０、６１は、単電池５６の両側に当接されるセパレータ５１と５２とのそれぞれの当接面側に、それぞれ、全く同一の投影パターンとなるように施されているので、薄膜状の脆弱な単電池５６を、図示のように、比較的剛性の高いセパレータ５１、５２の面で挟持させることにより、単電池５６の周辺部に片荷重を掛けることなく、密閉度の高いシール面を形成することができる。
尚、この実施の形態１に示すセパレータ５１、５３は、カーボン含有フェノール樹脂で成形されたものである。
尚、セパレータ５２の裏面２１に当接しているセパレータ５３との間においても、各流体を系毎に完全な閉空間で隔離するためのシール剤６２が施されている。又、シール剤６０、６１、６２として、ここでは液状のシリコーンシーラントを使用している。
【００２８】
次に、動作について説明する。
図４において、燃料供給用のマニホールド２６を流れる流体としての燃料ガスは、セパレータ５２の裏面２１とセパレータ５３の表面との間に形成された供給用の溝３３ａを通り、貫通孔３５ａを経て、セパレータ５２の表面１９側に到達し、燃料ガス流路３１を通って、所要領域としての、単電池５６の電極（アノード）支持部２０の流体流路を網羅するように巡ってから、貫通孔３５ｂを経て、再び、セパレータ５２の裏面２１側に廻り、排出用の溝３３ｂを通って燃料排出のマニホールド２７へと流れ出る。
【００２９】
上記のように、セパレータ５２の所要領域を巡る流体流路３１と、当該流体流路３１に所要の流体を給排する所要のマニホールド２６、２７とを連通する連通部は、少なくとも、前記流体流路３１やマニホールド２６、２７を他の流体の系と画するように延在するシール剤と交差する部分においては、セパレータ５２の同一面上において交差しないように、当該セパレータ内部を通る連通孔、この例では、供給用の連通孔としての貫通穴３５ａ及び溝３３ａや、排出用の連通孔としての貫通孔３５ｂ及び溝３３ｂで構成されている。
尚、以上は、燃料ガス側の流体の流路について説明したが、空気側の流体の流路においても同様の構成となっている。
【００３０】
この実施の形態１では、セパレータ５２の流体流路３１と所要のマニホールド２６、２７とを連通する供給用及び排出用の何れの連通部も、少なくとも、流体流路３１やマニホールド２６、２７を他の系と画するように延在するシール剤と同一面上において交差さぜず、当該セパレータ５２の内部を通る連通孔３５ａ及び溝３３ａ、連通孔３５ｂ及び溝３３ｂとして構成したので、当該セパレータ５２の流体流路３１を流れる所要の流体は、セパレータ５２の剛性表面１９に施されたシール剤によって形成された強固なシール構造により、比較的大きな差圧、例えば５気圧程度の差圧が生じても、リークを生じる等の悪影響を受けることなく、円滑に流通することができる。
更に、剛性の劣る薄膜状の単電池５６を、その両側面から、剛性に優れたセパレータ５１、５２の面にて、シール剤の施された全長にわたって完全に挟圧する構造となるので、従来に比べて、より確実にシールを維持させることができる。
【００３１】
実施の形態２．
次に、実施の形態２を図５乃至図８に基づいて説明する。
図５はセパレータの単電池と当接する一方の面（表）側の平面模式図、図６はセパレータの他方の面（裏）の平面模式図、図７は冷却水流路を備えたセパレータの当該水流路側面の平面模式図、図８は積層体の部分断面図である。
【００３２】
図５乃至図７において、セパレータ７２、７３には、各積層体の所要領域の流体流路（３１）に所要の流体を給排するため、当該セパレータ７２、７３を積層方向に貫通するように、流体としての酸化剤例えば空気供給用のマニホールド２４及び空気排出用のマニホールド２５、流体としての燃料例えば水素供給用のマニホールド２６及び水素排出用のマニホールド２７、流体としての冷却媒体例えば冷却水供給用のマニホールド２８及び冷却水排出用のマニホールド２９等が、積層方向に適当数設けられている。
【００３３】
図５及び図８において、単電池５６に当接されるセパレータ７２の面（表）１９には、単電池５６の電極側と対応する当該面内の所要領域、例えば電極（アノード）を支持する領域２０に、所要の流体としての燃料を通す流体流路としての燃料流路３１が設けられている。流体流路（３１）はセパレータ７２の表面１９側に溝状の流路として形成されている。
この燃料流路３１の給排用の連通部としての両端部は、所要のマニホールド２６、２７と燃料流路３１とを連通させる流路であり、当該所要領域２０内において、当該セパレータ７２の所要領域２０内の面１９（表）から他方の面２１（裏）に向けて、当該セパレータ７２の内部を、例えば貫通して通る貫通孔、この例では、供給用の流路としての貫通孔３５ａ及び排出用の流路としての貫通孔３５ｂを介して、当該セパレータ７２の他方の面（裏）２１側に通じ、更に、当該セパレータ７２の当該他方の面（裏）２１側に当接される更に別のセパレータ７３の面２２（表）に形成された流体流路としての池及び溝、即ち、供給用の池３６ａ及び溝３３ａや、排出用の池３６ｂ及び溝３３ｂを経て、それぞれ燃料供給用のマニホールド２６や燃料排出用のマニホールド２７と連通している。
前記セパレータ７３の表面２２に形成された池３６ａ、３６ｂや溝３３ａ、３３ｂは、当該セパレータ７３をセパレータ７２の裏面側に当接することによって密閉されように覆われて、マニホールド２６、２７に通じる流体流路となる。
尚、池３６ａ、３６ｂは、セパレータ７２の裏面２１側にに開口する貫通孔３５ａ、３５ｂの開口部に相応する位置に設けられている。
【００３４】
図７において、上記のセパレータ７２の裏面２１に当接するように隣接する更に他のセパレータ７３の表面２２には、流体としての冷却水が通る冷却用の流体流路３２が形成されている。この流体流路３２の給排用の両端部は、当該流体流路３２と同一面上において、それぞれ所要の、冷却水供給用のマニホールド２８及び冷却水排出用のマニホールド２９と連通されている。
この流体としての冷却水の系は、当該マニホールド７３の表面内において、前記流体流路３２及びマニホールド２８、２９を内包するように囲んだシール剤が、当該マニホールド７３の表面２２と、当該表面２２が当接される上記セパレータ７２の裏面２２とによって、シール剤が延在する全長にわたって挟持されることによって、シールされている。
【００３５】
上記のように連通部は、池３６ａ、３６ｂを含む連通孔３５ａ、３５ｂが、セパレータ７２と隣接する更に他のセパレータ７３の内部に延在するように構成してもよい。
又、上記と同様の構造にて、このセパレータ７３の裏面には、空気用の流体流路３０が設けられている（非図示）。
【００３６】
図８において、符号８０、８１はシール剤である。このシール剤８０、８１も上記実施の形態１と同様に、単電池５６と当該単電池５６を挟持するように当接された一方のセパレータ７３ｂ及び他方のセパレータ７２の当該単電池５６に向いた側の面の間に施された所要領域を、例えば、所要の流体としての燃料ガスを通す流体流路を、他の流体の系と隔絶させるように画し、所要の流体を所要の流体流路に密閉する、即ち、各流体の流路を完全な閉空間で隔離するため、当該所要領域を囲むように巡らされるもので、このシール剤８０、８１は、所要領域としての燃料供給用のマニホールド２６をシールしている。
【００３７】
更に、上記のシール剤８０、８１は、単電池５６の両側に当接するセパレータ７３ｂと７２の面に、それぞれ、全く同一の投影パターンとなるように施すことによって、薄膜状の脆弱な単電池５６を、図示のように、比較的剛性の高いセパレータ７３ｂ、７２の面で挟持させることにより、単電池５６の周辺部に片荷重を掛けることなく、密閉度の高いシール面を形成することができる。
尚、セパレータ７２の裏面２１に当接しているセパレータ７３ａとの間においても、各流体を系毎に完全な閉空間で隔離するためのシール材８２ａが施されている。
この実施の形態２では、シール剤８０、８１として液状のシリコーンシーラントを、他方、シール材８２ａ、８３ｂとしては、厚さ０．６ｍｍのフッ素ゴムを使用している。
【００３８】
次に、動作について説明する。
図８において、燃料供給用のマニホールド２６を流れる流体としての燃料ガスは、セパレータ７２の裏面とセパレータ７３ａの表面との間に形成された供給用の溝３３ａを通り、貫通孔３５ａを経て、セパレータ７２の表面１９側に到達し、燃料ガス流路３１を通って、所要領域としての、単電池５６の電極（アノード）支持部の領域２０を網羅するように巡ってから、貫通孔３５ｂを経て、再び、セパレータ７３の表面側の溝３３ｂを通って燃料排出用のマニホールド２７へと流れ出る。
【００３９】
この実施の形態２によれば、所要領域を囲むシール剤と連通部とが、同一平面状で交差しないように、セパレータ７２及びセパレータ７３ａの内部を通る連通孔、この例では、供給用の連通孔は貫通穴３５ａ及び溝３３ａで、排出用の連通孔は貫通孔３５ｂ及び溝３３ｂで、それぞれ構成されているので、上記の実施の形態１と同様に、セパレータ７２を通過する流体は、表面１９上に配されたシール剤８０と単電池５６とにより形成された強固なシールにより比較的大きな差圧例えば５気圧の差圧を設けてもリークを生じる虞がない。
又、セパレータ７３の冷却水流路部もセパレータ７３とセパレータ７２との間に設けられたガスケットゴム等のシール材により、完全なシールを行うことができる。
【００４０】
尚、この実施の形態２では、セパレータ７３に設けられた池３６ａ、３６ｂは、セパレータ７２に設けられた燃料流路の溝幅と同じ、例えば１．２ｍｍ幅の並列した貫通孔３５を網羅するように大きく形成している。これにより、セパレータ７２とセパレータ７３とを当接即ち重ね合わせた際に、若干の位置のずれが生じても、貫通孔３５と池３６とが滞り無く連通するので、製造効率が向上する。
【００４１】
この趣旨を実現するために、例えば池３６（３６ａ、３６ｂ）は貫通孔３５（３５ａ、３５ｂ）よりも広め（組立時の精度に依存）の幅で、貫通孔３５ａ、３５ｂに対応した個数開けることも可能である。勿論、組立精度や部材寸法精度が格段に向上した場合には、燃料流路の溝と同じ幅で穴をあけることもできる。
尚、流体としての例えばガスが流通する際の圧力損失は、流通経路がスムーズな程つきにくく、流路断面積の変化が少ない程よいので、組立精度等の範囲に応じて、できるだけ流路幅を溝に近い状態を保つことが望ましい。
【００４２】
上記の貫通孔３５（３５ａ、３５ｂ）は、この実施の形態２では製造が容易な垂直な穴としたが、例えば、図９に示す別の積層体の部分断面のように、流体に対する流路の抵抗を緩和するように、斜めにして滑らかに屈曲させたり、流路のコーナー部を抵抗の少ない曲面とするとよい。
【００４３】
実施の形態３
実施の形態３は、マニホールドや当該マニホールドと連通する流体流路等の所要領域を他の流体の系と画し、所要の流体を所要領域に密閉するため、単電池とセパレータとの間にシール剤を施す燃料電池の製造方法において、所要領域に接するセパレータの面に当該所要領域を囲む案内溝を設け、当該案内溝にシール剤を施こし、前記セパレータの面に単電池を当接させて、シール剤を固化させて接合する燃料電池の製造方法を示すものである。
【００４４】
以下、実施の形態３を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０は燃料電池積層体を構成するセパレータ９２の単電池５６と当接する面１９の平面模式図、図１１はマニホールド周辺のシール状態を示す要部断面模式図である。
図１０及び図１１において、セパレータ９２には、各積層体の所要領域に所要の流体を給排するために、空気用のマニホールド２４、２５、燃料用のマニホールド２６、２７、冷却水用のマニホールド２８、２９が設けられている。更に、上記セパレータ９２の面１９には、単電池５６の電極（アノード）を支持する領域２０に燃料流路３１が設けられている。
この燃料流路３１の両端部即ち連通部は、セパレータ９２を貫通する貫通孔３５ａ、３５ｂを介して、他方の面（非図示）に通じており、連通孔３３を介して燃料用マニホールド２６、２７と連通している。尚、これらの詳細な構成は、上記の実施の形態１及び２と同様であるので、その説明を省略する。
【００４５】
図１１において、図中の符号１０１は、単電池５６との間での密閉を行うためのシール剤が塗布される案内溝である。この案内溝１０１は、セパレータ９２の表面に溝状に形成されている。例えば、図示の案内溝１０１は、幅約０．３ｍｍ、深さ約０．２ｍｍの溝であり、同図に示すように、各流体毎に、独立した７つの閉曲線で所要領域を画すように区切っている。
【００４６】
他方、符号１０２は補助溝であり、上記の案内溝１０１に近接して、その両側に沿うように、この例では平行に形成されている。補助溝１０２は、案内溝１０１からはみ出たシール材を収納させるためのものであって、案内溝１０１と同様に、セパレータ９２の表面に溝状に形成されている。図示の補助溝１０２は、例えば、幅約０．６、深さ約０．４の溝で、案内溝１０１よりもマニホールド２５或いは単電池の電極支持領域側に向けて１ｍｍ程度離して設置している。
【００４７】
この実施の形態３では、補助溝１０２を案内溝１０１の両側に設けているが、必要に応じて、何れか一方側だけに設けてもよい。
又、図１３に示すように、同一のセパレータ９２の面上に形成される案内溝１０１が、他の１又は複数の案内溝１０１Ａと近接して略平行に延在する領域部分においては、それらの案内溝１０１及び１０１Ａを統一して、共用案内溝１０１Ｗとしてもよい。
尚、図示の共用案内溝１０１Ｗの溝幅は例えば約０．５ｍｍ程度としてある。又、この例では、当該共通案内溝１０１Ｗの両側に補助溝１０２、１０２を設けている。
【００４８】
次に、図１４乃至図１５において、案内溝１０１へのシール剤の施し方について説明する。図１４は積層体の部分断面図、図１５は積層体の別の部分断面図である。
図１４に示すように、案内溝１０１にシール剤８０を当該溝１０１から溢れ出るように、例えば、シール剤としてのガスシーラントを約０．５ｍｍの高さに盛る。
そして、単電池５６とセパレータ９２とを重ね合わせる。
案内溝１０１に収まりきらなかったシール剤８０は、単電池５６とセパレータ９２との間の接合面上にできている製造上の細かな凹凸を埋めながら、更に過剰なシール剤の余り分が当該案内溝１０１の両側に設けられた補助溝１０２、１０２に受け入れられるため、単電池５６とセパレータ９２とが良好な状態にて密着し、シール剤８０の硬化によって接合され強固に固着される。
【００４９】
シール剤８０は、案内溝１０１の幅部分だけでなく、案内溝１０１から補助溝１０２に到るまでの幅において、単電池５６とセパレータ９２との接合面間の凹凸に応じた形状に応じて固化すると共に、更には、補助溝１０２に落ち込んで変形した形状にて固化するため、厳重なシール構造を形成することができる。
【００５０】
更に、この実施の形態３では、余分なシール剤８０が補助溝１０２に吸収されるので、余ったシール剤８０がマニホールドや流体流路等に無用にはみ出て流路を閉塞させる等の不都合を生じさせない。
従って、接合面の面精度のばらつきを考慮して、余分なシール剤８０をガイド部に盛りつけることが可能となり、凹凸の激しい接合面においてもシール剤８０が完全に隙間を埋めて完全なシール構造を形成することができる。
【００５１】
実施の形態４
実施の形態４は、上記実施の形態１及び３を、積層体の各燃料流路間の流通を可能にする連通マニホールドに適用した例を示すもので、以下、図１６に基づいて説明する。図１６は燃料電池積層体を構成するセパレータ１１２の単電池５６と当接する面１１９の平面模式図である。
【００５２】
先ず、図１６において、この実施の形態４では、上記実施の形態１、２と同様に、セパレータ１１２には、各積層体に流体を供給するために当該セパレータ１１２を貫く空気用マニホールド２４、２５、燃料用マニホールド２６、２７、冷却水マニホールド２８、２９が設けられており、セパレータ１１２の表面１９に設けられた流体としての燃料が通る流体流路（以下、燃料流路ともいう）３１の両端部即ち連通部が、セパレータ１１２を貫通する貫通孔３５ａ、３５ｂを介して裏面（非図示）に通じ、連通溝３３ａ、３３ｂで所要の燃料用マニホールド２６、２７と連通している構成は、上記実施の形態１及び２で説明の通りである。
【００５３】
この実施の形態４では、更に、積層体の各燃料流路３１間の流通を可能にする連通マニホールド１０５が当該連通マニホールド１０５の回りに施されたシール剤１０３を伴って設けられている。
この場合、燃料流路３１は、当該連通マニホールド１０５と連通するに当たって、上記実施の形態１、２と同様に、連通マニホールド１０５との接続の前後で上記シール剤１０３を潜るように、当該マニホールド１０５内部を通って裏面に達する貫通孔１３５ａ、１３５ｂと当該裏面に設けられた連通溝１３３ａ、１３３ｂを経て、連通マニホールド１０５に連通されている。
【００５４】
次に、動作について説明する。
燃料供給用のマニホールド２６を流れる燃料は、セパレータ１１２の裏側に設けられた連通溝１３３ａを通り、貫通孔３５ａを経由して、セパレータ１１２の表面１９側に到達し、燃料流路３１ａを通って、貫通孔１３５ａを経て、再び当該マニホールド１０５の裏面に廻り、連通行１３３ａを経由して連通マニホールド１０５へ行き、積層体中の他の単電池の燃料と合流した後、再び連通孔１３３ｂ及び貫通孔１３５ｂを経て、当該連通マニホールド１０５の表面１９側に戻り、燃料流路３１ｂを通って、電極（アノード）支持部を網羅してから、貫通孔３５ｂを経て、再びセパレータ１１２の裏面に廻り、連通溝３３ｂを通って燃料排出用のマニホールド２７へと流れ出る。
【００５５】
この場合、単電池５６を隔てて対向するセパレータ１１３（非図示）の表面には流体としての空気が流れる流体流路（以下、空気流路部）が形成されているが、連通マニホールド１０５と空気流路の境界は完全な閉曲線でシール剤が塗布されており、単電池５６を介して対向しているセパレータ１１２の受ける側は、閉曲線を描くよう施されたシール剤と同一平面において交差するには一切凹部、即ち従来のような溝が形成されていないため、シール剤は平面にてしっかりと挟持されるため、完全なシールを実現させることができる。
【００５６】
請求項１乃至請求項４の各発明によれば、何れも、従来では延在するシール材と同一面上で交差していた溝状の流体流路としての連通部が、前記流体流路が形成された面と反対側の面に、例えば貫通するように、当該セパレータ内部を通る構成としたので、前記流体流路が形成された当該セパレータの面に施された前記流体流路やマニホールドを気密に囲うシール剤と当該連通部との同一面上における交差を回避させることができる。
従って、当該連通部においては、平面にシール部材が施されるので、所要領域の密閉状態を十分に維持させることができ、構造が簡易で、大量生産が可能な燃料電池を提供することができる。
又、マニホールドとセパレータ面を流れるガスの連通部分を単電池と接しない裏側に設けたので、セパレータと単電池間を流れるガスを、従来に比べて、完全な閉曲線でシールすることができるので、容易に強固なガスシールを施すことができる。
【００５７】
請求項４の発明によれば、単電池とセパレータとの接着の際に、所要のシール剤を案内溝に沿って施すことができるので、必要な場所に必要な量を容易に塗布することができ、作業効率を向上させると共に、シールの信頼性を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の単電池の平面模式図である。
【図２】 実施の形態１のセパレータ表面の平面模式図である。
【図３】 実施の形態１のセパレータ裏面の平面模式図である。
【図４】 実施の形態１の要部断面模式図である。
【図５】 実施の形態２のセパレータ表面の平面模式図である。
【図６】 実施の形態２のセパレータ裏面の平面模式図である。
【図７】 実施の形態２の隣接するセパレータ表面の平面模式図である。
【図８】 実施の形態２の積層体の部分断面図である。
【図９】 実施の形態２の別の積層体の部分断面図である。
【図１０】 実施の形態３のセパレータの表面の平面模式図である。
【図１１】 実施の形態３の要部断面模式図である。
【図１２】 実施の形態３のパターン例を示す図である。
【図１３】 実施の形態３の別の要部断面模式図である。
【図１４】 実施の形態３の積層体の部分断面図である。
【図１５】 実施の形態３の積層体の別の部分断面図である。
【図１６】 実施の形態４のセパレータの表面の平面模式図である。
【図１７】 従来の燃料電池における単電池の概念的な構成を示す断面図である。
【図１８】 従来のセパレータの平面図である。
【図１９】 従来のセパレータの構成を示す一部切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１、２、５１、５２、５３、７２，７３、９２、１１２ セパレータ、３、４電極、５ 電解質膜、６、５６ 単電池、１０、１１、３１ 流体流路（所要領域）、２４、２６ マニホールド、２５、２７ マニホールド、３５、３５ａ，３５ｂ 貫通孔、３３，３３ａ，３３ｂ 溝（連通溝）、６０、６１、６２ シール剤。
本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池、例えば電気自動車等で使用される燃料電池に関する。
尚、本明細書では主に固体高分子型燃料電地について記述するが、リン酸型燃料電池についても本発明を適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を他方の電極に酸化剤を供給し、電池内にて、燃料の酸化を電気化学的に反応させ、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。
この燃料電池には、電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００３】
さて、燃料電池における電気化学的反応は、次の通りである。
燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路より電流を取り出すとき、下記のような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
このとき、燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ずる。
このような燃料電池の運転には、燃料電池から電流を取り出すと共に、ガスと水とを効率よく流通させるためのセパレータが重要となり、種々のセパレータが提案されている。例えば、特許第１５０２６１７号及び特許第１６０４０４８号、或いは、特開平３−２０６７６３（ＵＳＰ５、１０８、８４９）号公報等で示されている。
【０００４】
図１７は、従来の燃料電池における単電池の概念的な構成を示す断面図、図１８はセパレータの平面図である。
図１７及び図１８において、符号１及び２は何れも板状に形成された導電性のセパレータである。以下、説明の都合上、符号１を第１セパレータ、２を第２セパレータともいう。
又、符号３は酸化剤電極、４は燃料電極、５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質膜であり、酸化剤電極３及び燃料電極４と共に単電池６が構成される。単電池６は上記第１セパレータ１と第２セパレータ２とに挟持されている。
【０００５】
図中の符号１０は、第１セパレータ１の上記酸化剤電極３側に向いた面に形成された、流体としての酸化剤ガスが通る流体流路、即ち酸化剤ガス流路である。
この酸化剤ガス流路は、酸化剤電極３へ酸化剤ガスとして例えば空気や酸素ガスを供給するため、酸化剤電極３に接する所要領域内、即ち酸化電極３に接してこれを支持する電極支持部１８に、多数の平行な溝が蛇腹状に密集するように形成されたものである。
【０００６】
又、符号１１は第２セパレータ２の上記燃料電極４側に向いた面に形成された、流体としての燃料ガスを通す流体流路、即ち燃料ガス流路である。
この燃料ガス流路は、上記の燃料電極４へ燃料ガスである例えば水素ガスを供給するため、燃料電極４に接する所要領域内、即ち燃料電極４に接してこれを支持する電極支持部（非図示）に、多数の平行な溝が蛇腹状に形成されたものであって、上記酸化剤ガス流路１０と同様な形態の溝から成っている。
燃料電池は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に、例えば、上記第１セパレータ１と単電池６と第２セパレータ２というような順に、積層された積層体として構成されている。
【０００７】
次に、積層体中の各単電池６への所要の流体としてのガスの給排を説明する。
先ず、酸化剤としての流体は、積層体を積層方向に貫通するよう設けられた空気供給用のマニホールド２４から、第１セパレータ１の面１７に設けられた供給用の連通部１２ａを介して、電極支持部１８に配された流体流路（所要領域）１０を経て、排出用の連通部１２ｂを介して、空気排出用のマニホールド２５へと流れて出て行く。
他方、燃料としての水素ガスも積層体を貫通する燃料供給用のマニホールド２６から、以下、図示されていない第２セパレータの面に設けられた供給用の連通部（１２ａと同様）を介して、電極支持部（１８と同様）に配された流体流路（（１０と同様））を経て、排出用の連通部（１２ｂと同様）を介して、燃料排出用のマニホールド２７へ流れて出て行く。
上記のように、各セパレータの面に形成された溝状の各流体流路１０や連通部１２ａ、１３ａは、当該セパレータ（の面）に当接するようにして隣接される単電池６やセパレータとの間、或いはセパレータとセパレータとの間を、ガスケットやシール材等を用いて密着させることで、系外、例えば燃料と空気間のような異種の流体や流体流路との間とを隔離させ、密閉させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような、各種流体を通す所要のマニホールドと相応する流体流路（所要領域）とを連通させる連通部（１２ａ、１２ｂ）は、他の系と密閉して画されるべき所要領域としての例えば電極支持部（１８）を囲うように当該セパレータの面上を巡るシール材が、当該連通部（１２ａ、１２ｂ）を横断する方向に延在しているので、その同一面上の交差部分においては、例えば、燃料側が空気側に対して圧力が高くなる等の差圧によって、比較的剛性の劣る単電池６側が連通部（例えば図中の１２ａ）の溝の開口側を横断する方向に沿って変形してしまうため、密閉状態を十分に維持することが困難になる、という問題があった。
【０００９】
この問題を解決するため、図１９に示すように、連通部１２の畝上部を削って、その上に補強板９を載置するという工夫が、特許公報平１−６０８９９号等で提案されている。
しかし、このような工夫は、単電池１枚に対して、所要数の連通部に応じようとすると、１枚のセパレータにおいて、最低でも４つの補強板９を配設せねばならず、数十乃至数百枚の積層が必要な燃料電池においては、製造コストの大幅な増大を招き、しかも、構造並びに製造工程が複雑となるため、欠陥率や故障率等が増加する虞れもあって、実際的ではない。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解消し、延在するシール材と同一面上で交差する溝状の流体流路、例えば、上記のような連通部における構造を改良することによって、密閉状態を十分に維持することができ、構造が簡易で、大量生産が可能な燃料電池の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の燃料電池の発明は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池に当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、前記流体流路が形成されたセパレータの面から当該セパレータの面と反対側の面に貫通する連通孔を介して、当該セパレータの面と反対側の面に隣接された更に他のセパレータの面に形成された溝状の流路を経て所要のマニホールドに連通させたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の燃料電池の発明は、単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池と当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、当該連通部、及び、少なくとも、前記流体流路や所要のマニホールドを、前記流体流路や所要のマニホールドを流れる流体とは異なる流体が流れる空間と画するように延在するシール剤を前記セパレータの面に垂直な方向から同一平面に投影したときにシール剤と交差する部分を、前記セパレータと隣接する更に他のセパレータの内部に延在して前記流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通孔としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、連通孔を除く部分の連通部は、セパレータの面に形成された溝状の流体流路であることを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池において、流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に、所要領域を囲むよう設けられた案内溝にシール剤を施こし、流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に相対する単電池或いは他のセパレータを当接させて、前記シール剤を固化させたシール構造を有することを特徴とする。
【００２４】
【実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１を図１乃至図４に基づいて説明する。図１は単電池の平面模式図、図２は単電池に当接されるセパレータの一方の面（表）側の平面模式図、図３は前記セパレータの他方の面（裏）の平面模式図、図４は単電池とセパレータとの積層状態を示す要部断面模式図である。
図１及び図４において、単電池５６及びセパレータ５２には、各積層体の所要領域の流体流路に所要の流体を給排するため、当該セパレータ５２を積層方向に貫通するように、流体としての酸化剤例えば空気供給用のマニホールド２４及び空気排出用のマニホールド２５や、流体としての燃料例えば水素供給用のマニホールド２６及び水素排出用のマニホールド２７や、流体としての冷却媒体例えば冷却水供給用のマニホールド２８や冷却水排出用のマニホールド２９等が、積層方向に適当数設けられている。
【００２５】
図２及び図３において、単電池５６に当接されるセパレータ５２の面（表）１９には、単電池５６の電極側と対応する当該面内の所要領域、例えばアノードを支持する領域２０に、所要の流体としての燃料を通す流体流路としての燃料流路（所要領域）３１が設けられている。流体流路（３１）はセパレータの表面側に溝状の流路として形成されている。
この燃料流路３１の給排用の連通部としての両端部は、所要のマニホールド２６、２７と燃料流路３１とを連通させる流路であり、当該所要領域内において、当該セパレータ５２の面１９（表）から他方の面２１（裏）に向けて、当該セパレータ５２の内部を例えば貫通して通る貫通孔、この例では、供給用の流路としての貫通孔３５ａ及び排出用の流路としての貫通孔３５ｂとを介して、当該セパレータ５２の他方の面（裏）２１側に通じ、更に、当該セパレータ５２の他方の面（裏）２１に形成された流体流路としての溝、即ち供給用の溝３３ａ及び排出用の溝３３ｂを経て、それぞれ燃料供給用のマニホールド２６や燃料排出用のマニホールド２７と連通されている。
前記セパレータ５２の他方の面（裏面）２１に形成された溝３３ａ、溝３３ｂ及び当該面２１に開口する貫通孔３５ａ、３５ｂの開口部は、当該セパレータ５２の他方の面（裏面）２１に当接された更に他のセパレータ５３によって密閉されるように覆われて、即ち当接されて、所要のマニホールド２６、２７に通じる流路となっている。
【００２６】
図４において、符号６０、６１はシール剤である。シール剤は、単電池５６と当該単電池５６を挟持するように当接された一方のセパレータ５１と他方のセパレータ５２との間の、単電池５６に向いた面側にそれぞれ施された所要領域としての流体流路を、他の流体の系と隔絶させるように画し、所要の流体を所要の流体流路に密閉する、即ち、各流体の流路を完全な閉空間で隔離するため、当該所要領域を囲むように巡らされるもので、このシール剤６０、６１は、所要領域としての燃料供給用のマニホールド２６をシールしている例である。
【００２７】
更に、上記のシール剤６０、６１は、単電池５６の両側に当接されるセパレータ５１と５２とのそれぞれの当接面側に、それぞれ、全く同一の投影パターンとなるように施されているので、薄膜状の脆弱な単電池５６を、図示のように、比較的剛性の高いセパレータ５１、５２の面で挟持させることにより、単電池５６の周辺部に片荷重を掛けることなく、密閉度の高いシール面を形成することができる。
尚、この実施の形態１に示すセパレータ５１、５３は、カーボン含有フェノール樹脂で成形されたものである。
尚、セパレータ５２の裏面２１に当接しているセパレータ５３との間においても、各流体を系毎に完全な閉空間で隔離するためのシール剤６２が施されている。又、シール剤６０、６１、６２として、ここでは液状のシリコーンシーラントを使用している。
【００２８】
次に、動作について説明する。
図４において、燃料供給用のマニホールド２６を流れる流体としての燃料ガスは、セパレータ５２の裏面２１とセパレータ５３の表面との間に形成された供給用の溝３３ａを通り、貫通孔３５ａを経て、セパレータ５２の表面１９側に到達し、燃料ガス流路３１を通って、所要領域としての、単電池５６の電極（アノード）支持部２０の流体流路を網羅するように巡ってから、貫通孔３５ｂを経て、再び、セパレータ５２の裏面２１側に廻り、排出用の溝３３ｂを通って燃料排出のマニホールド２７へと流れ出る。
【００２９】
上記のように、セパレータ５２の所要領域を巡る流体流路３１と、当該流体流路３１に所要の流体を給排する所要のマニホールド２６、２７とを連通する連通部は、少なくとも、前記流体流路３１やマニホールド２６、２７を他の流体の系と画するように延在するシール剤と交差する部分においては、セパレータ５２の同一面上において交差しないように、当該セパレータ内部を通る連通孔、この例では、供給用の連通孔としての貫通穴３５ａ及び溝３３ａや、排出用の連通孔としての貫通孔３５ｂ及び溝３３ｂで構成されている。
尚、以上は、燃料ガス側の流体の流路について説明したが、空気側の流体の流路においても同様の構成となっている。
【００３０】
この実施の形態１では、セパレータ５２の流体流路３１と所要のマニホールド２６、２７とを連通する供給用及び排出用の何れの連通部も、少なくとも、流体流路３１やマニホールド２６、２７を他の系と画するように延在するシール剤と同一面上において交差さぜず、当該セパレータ５２の内部を通る連通孔３５ａ及び溝３３ａ、連通孔３５ｂ及び溝３３ｂとして構成したので、当該セパレータ５２の流体流路３１を流れる所要の流体は、セパレータ５２の剛性表面１９に施されたシール剤によって形成された強固なシール構造により、比較的大きな差圧、例えば５気圧程度の差圧が生じても、リークを生じる等の悪影響を受けることなく、円滑に流通することができる。
更に、剛性の劣る薄膜状の単電池５６を、その両側面から、剛性に優れたセパレータ５１、５２の面にて、シール剤の施された全長にわたって完全に挟圧する構造となるので、従来に比べて、より確実にシールを維持させることができる。
【００３１】
実施の形態２．
次に、実施の形態２を図５乃至図８に基づいて説明する。
図５はセパレータの単電池と当接する一方の面（表）側の平面模式図、図６はセパレータの他方の面（裏）の平面模式図、図７は冷却水流路を備えたセパレータの当該水流路側面の平面模式図、図８は積層体の部分断面図である。
【００３２】
図５乃至図７において、セパレータ７２、７３には、各積層体の所要領域の流体流路（３１）に所要の流体を給排するため、当該セパレータ７２、７３を積層方向に貫通するように、流体としての酸化剤例えば空気供給用のマニホールド２４及び空気排出用のマニホールド２５、流体としての燃料例えば水素供給用のマニホールド２６及び水素排出用のマニホールド２７、流体としての冷却媒体例えば冷却水供給用のマニホールド２８及び冷却水排出用のマニホールド２９等が、積層方向に適当数設けられている。
【００３３】
図５及び図８において、単電池５６に当接されるセパレータ７２の面（表）１９には、単電池５６の電極側と対応する当該面内の所要領域、例えば電極（アノード）を支持する領域２０に、所要の流体としての燃料を通す流体流路としての燃料流路３１が設けられている。流体流路（３１）はセパレータ７２の表面１９側に溝状の流路として形成されている。
この燃料流路３１の給排用の連通部としての両端部は、所要のマニホールド２６、２７と燃料流路３１とを連通させる流路であり、当該所要領域２０内において、当該セパレータ７２の所要領域２０内の面１９（表）から他方の面２１（裏）に向けて、当該セパレータ７２の内部を、例えば貫通して通る貫通孔、この例では、供給用の流路としての貫通孔３５ａ及び排出用の流路としての貫通孔３５ｂを介して、当該セパレータ７２の他方の面（裏）２１側に通じ、更に、当該セパレータ７２の当該他方の面（裏）２１側に当接される更に別のセパレータ７３の面２２（表）に形成された流体流路としての池及び溝、即ち、供給用の池３６ａ及び溝３３ａや、排出用の池３６ｂ及び溝３３ｂを経て、それぞれ燃料供給用のマニホールド２６や燃料排出用のマニホールド２７と連通している。
前記セパレータ７３の表面２２に形成された池３６ａ、３６ｂや溝３３ａ、３３ｂは、当該セパレータ７３をセパレータ７２の裏面側に当接することによって密閉されように覆われて、マニホールド２６、２７に通じる流体流路となる。
尚、池３６ａ、３６ｂは、セパレータ７２の裏面２１側にに開口する貫通孔３５ａ、３５ｂの開口部に相応する位置に設けられている。
【００３４】
図７において、上記のセパレータ７２の裏面２１に当接するように隣接する更に他のセパレータ７３の表面２２には、流体としての冷却水が通る冷却用の流体流路３２が形成されている。この流体流路３２の給排用の両端部は、当該流体流路３２と同一面上において、それぞれ所要の、冷却水供給用のマニホールド２８及び冷却水排出用のマニホールド２９と連通されている。
この流体としての冷却水の系は、当該マニホールド７３の表面内において、前記流体流路３２及びマニホールド２８、２９を内包するように囲んだシール剤が、当該マニホールド７３の表面２２と、当該表面２２が当接される上記セパレータ７２の裏面２２とによって、シール剤が延在する全長にわたって挟持されることによって、シールされている。
【００３５】
上記のように連通部は、池３６ａ、３６ｂを含む連通孔３５ａ、３５ｂが、セパレータ７２と隣接する更に他のセパレータ７３の内部に延在するように構成してもよい。
又、上記と同様の構造にて、このセパレータ７３の裏面には、空気用の流体流路３０が設けられている（非図示）。
【００３６】
図８において、符号８０、８１はシール剤である。このシール剤８０、８１も上記実施の形態１と同様に、単電池５６と当該単電池５６を挟持するように当接された一方のセパレータ７３ｂ及び他方のセパレータ７２の当該単電池５６に向いた側の面の間に施された所要領域を、例えば、所要の流体としての燃料ガスを通す流体流路を、他の流体の系と隔絶させるように画し、所要の流体を所要の流体流路に密閉する、即ち、各流体の流路を完全な閉空間で隔離するため、当該所要領域を囲むように巡らされるもので、このシール剤８０、８１は、所要領域としての燃料供給用のマニホールド２６をシールしている。
【００３７】
更に、上記のシール剤８０、８１は、単電池５６の両側に当接するセパレータ７３ｂと７２の面に、それぞれ、全く同一の投影パターンとなるように施すことによって、薄膜状の脆弱な単電池５６を、図示のように、比較的剛性の高いセパレータ７３ｂ、７２の面で挟持させることにより、単電池５６の周辺部に片荷重を掛けることなく、密閉度の高いシール面を形成することができる。
尚、セパレータ７２の裏面２１に当接しているセパレータ７３ａとの間においても、各流体を系毎に完全な閉空間で隔離するためのシール材８２ａが施されている。
この実施の形態２では、シール剤８０、８１として液状のシリコーンシーラントを、他方、シール材８２ａ、８３ｂとしては、厚さ０．６ｍｍのフッ素ゴムを使用している。
【００３８】
次に、動作について説明する。
図８において、燃料供給用のマニホールド２６を流れる流体としての燃料ガスは、セパレータ７２の裏面とセパレータ７３ａの表面との間に形成された供給用の溝３３ａを通り、貫通孔３５ａを経て、セパレータ７２の表面１９側に到達し、燃料ガス流路３１を通って、所要領域としての、単電池５６の電極（アノード）支持部の領域２０を網羅するように巡ってから、貫通孔３５ｂを経て、再び、セパレータ７３の表面側の溝３３ｂを通って燃料排出用のマニホールド２７へと流れ出る。
【００３９】
この実施の形態２によれば、所要領域を囲むシール剤と連通部とが、同一平面状で交差しないように、セパレータ７２及びセパレータ７３ａの内部を通る連通孔、この例では、供給用の連通孔は貫通穴３５ａ及び溝３３ａで、排出用の連通孔は貫通孔３５ｂ及び溝３３ｂで、それぞれ構成されているので、上記の実施の形態１と同様に、セパレータ７２を通過する流体は、表面１９上に配されたシール剤８０と単電池５６とにより形成された強固なシールにより比較的大きな差圧例えば５気圧の差圧を設けてもリークを生じる虞がない。
又、セパレータ７３の冷却水流路部もセパレータ７３とセパレータ７２との間に設けられたガスケットゴム等のシール材により、完全なシールを行うことができる。
【００４０】
尚、この実施の形態２では、セパレータ７３に設けられた池３６ａ、３６ｂは、セパレータ７２に設けられた燃料流路の溝幅と同じ、例えば１．２ｍｍ幅の並列した貫通孔３５を網羅するように大きく形成している。これにより、セパレータ７２とセパレータ７３とを当接即ち重ね合わせた際に、若干の位置のずれが生じても、貫通孔３５と池３６とが滞り無く連通するので、製造効率が向上する。
【００４１】
この趣旨を実現するために、例えば池３６（３６ａ、３６ｂ）は貫通孔３５（３５ａ、３５ｂ）よりも広め（組立時の精度に依存）の幅で、貫通孔３５ａ、３５ｂに対応した個数開けることも可能である。勿論、組立精度や部材寸法精度が格段に向上した場合には、燃料流路の溝と同じ幅で穴をあけることもできる。
尚、流体としての例えばガスが流通する際の圧力損失は、流通経路がスムーズな程つきにくく、流路断面積の変化が少ない程よいので、組立精度等の範囲に応じて、できるだけ流路幅を溝に近い状態を保つことが望ましい。
【００４２】
上記の貫通孔３５（３５ａ、３５ｂ）は、この実施の形態２では製造が容易な垂直な穴としたが、例えば、図９に示す別の積層体の部分断面のように、流体に対する流路の抵抗を緩和するように、斜めにして滑らかに屈曲させたり、流路のコーナー部を抵抗の少ない曲面とするとよい。
【００４３】
実施の形態３
実施の形態３は、マニホールドや当該マニホールドと連通する流体流路等の所要領域を他の流体の系と画し、所要の流体を所要領域に密閉するため、単電池とセパレータとの間にシール剤を施す燃料電池の製造方法において、所要領域に接するセパレータの面に当該所要領域を囲む案内溝を設け、当該案内溝にシール剤を施こし、前記セパレータの面に単電池を当接させて、シール剤を固化させて接合する燃料電池の製造方法を示すものである。
【００４４】
以下、実施の形態３を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０は燃料電池積層体を構成するセパレータ９２の単電池５６と当接する面１９の平面模式図、図１１はマニホールド周辺のシール状態を示す要部断面模式図である。
図１０及び図１１において、セパレータ９２には、各積層体の所要領域に所要の流体を給排するために、空気用のマニホールド２４、２５、燃料用のマニホールド２６、２７、冷却水用のマニホールド２８、２９が設けられている。更に、上記セパレータ９２の面１９には、単電池５６の電極（アノード）を支持する領域２０に燃料流路３１が設けられている。
この燃料流路３１の両端部即ち連通部は、セパレータ９２を貫通する貫通孔３５ａ、３５ｂを介して、他方の面（非図示）に通じており、連通孔３３を介して燃料用マニホールド２６、２７と連通している。尚、これらの詳細な構成は、上記の実施の形態１及び２と同様であるので、その説明を省略する。
【００４５】
図１１において、図中の符号１０１は、単電池５６との間での密閉を行うためのシール剤が塗布される案内溝である。この案内溝１０１は、セパレータ９２の表面に溝状に形成されている。例えば、図示の案内溝１０１は、幅約０．３ｍｍ、深さ約０．２ｍｍの溝であり、同図に示すように、各流体毎に、独立した７つの閉曲線で所要領域を画すように区切っている。
【００４６】
他方、符号１０２は補助溝であり、上記の案内溝１０１に近接して、その両側に沿うように、この例では平行に形成されている。補助溝１０２は、案内溝１０１からはみ出たシール材を収納させるためのものであって、案内溝１０１と同様に、セパレータ９２の表面に溝状に形成されている。図示の補助溝１０２は、例えば、幅約０．６、深さ約０．４の溝で、案内溝１０１よりもマニホールド２５或いは単電池の電極支持領域側に向けて１ｍｍ程度離して設置している。
【００４７】
この実施の形態３では、補助溝１０２を案内溝１０１の両側に設けているが、必要に応じて、何れか一方側だけに設けてもよい。
又、図１３に示すように、同一のセパレータ９２の面上に形成される案内溝１０１が、他の１又は複数の案内溝１０１Ａと近接して略平行に延在する領域部分においては、それらの案内溝１０１及び１０１Ａを統一して、共用案内溝１０１Ｗとしてもよい。
尚、図示の共用案内溝１０１Ｗの溝幅は例えば約０．５ｍｍ程度としてある。又、この例では、当該共通案内溝１０１Ｗの両側に補助溝１０２、１０２を設けている。
【００４８】
次に、図１４乃至図１５において、案内溝１０１へのシール剤の施し方について説明する。図１４は積層体の部分断面図、図１５は積層体の別の部分断面図である。
図１４に示すように、案内溝１０１にシール剤８０を当該溝１０１から溢れ出るように、例えば、シール剤としてのガスシーラントを約０．５ｍｍの高さに盛る。
そして、単電池５６とセパレータ９２とを重ね合わせる。
案内溝１０１に収まりきらなかったシール剤８０は、単電池５６とセパレータ９２との間の接合面上にできている製造上の細かな凹凸を埋めながら、更に過剰なシール剤の余り分が当該案内溝１０１の両側に設けられた補助溝１０２、１０２に受け入れられるため、単電池５６とセパレータ９２とが良好な状態にて密着し、シール剤８０の硬化によって接合され強固に固着される。
【００４９】
シール剤８０は、案内溝１０１の幅部分だけでなく、案内溝１０１から補助溝１０２に到るまでの幅において、単電池５６とセパレータ９２との接合面間の凹凸に応じた形状に応じて固化すると共に、更には、補助溝１０２に落ち込んで変形した形状にて固化するため、厳重なシール構造を形成することができる。
【００５０】
更に、この実施の形態３では、余分なシール剤８０が補助溝１０２に吸収されるので、余ったシール剤８０がマニホールドや流体流路等に無用にはみ出て流路を閉塞させる等の不都合を生じさせない。
従って、接合面の面精度のばらつきを考慮して、余分なシール剤８０をガイド部に盛りつけることが可能となり、凹凸の激しい接合面においてもシール剤８０が完全に隙間を埋めて完全なシール構造を形成することができる。
【００５１】
実施の形態４
実施の形態４は、上記実施の形態１及び３を、積層体の各燃料流路間の流通を可能にする連通マニホールドに適用した例を示すもので、以下、図１６に基づいて説明する。図１６は燃料電池積層体を構成するセパレータ１１２の単電池５６と当接する面１１９の平面模式図である。
【００５２】
先ず、図１６において、この実施の形態４では、上記実施の形態１、２と同様に、セパレータ１１２には、各積層体に流体を供給するために当該セパレータ１１２を貫く空気用マニホールド２４、２５、燃料用マニホールド２６、２７、冷却水マニホールド２８、２９が設けられており、セパレータ１１２の表面１９に設けられた流体としての燃料が通る流体流路（以下、燃料流路ともいう）３１の両端部即ち連通部が、セパレータ１１２を貫通する貫通孔３５ａ、３５ｂを介して裏面（非図示）に通じ、連通溝３３ａ、３３ｂで所要の燃料用マニホールド２６、２７と連通している構成は、上記実施の形態１及び２で説明の通りである。
【００５３】
この実施の形態４では、更に、積層体の各燃料流路３１間の流通を可能にする連通マニホールド１０５が当該連通マニホールド１０５の回りに施されたシール剤１０３を伴って設けられている。
この場合、燃料流路３１は、当該連通マニホールド１０５と連通するに当たって、上記実施の形態１、２と同様に、連通マニホールド１０５との接続の前後で上記シール剤１０３を潜るように、当該マニホールド１０５内部を通って裏面に達する貫通孔１３５ａ、１３５ｂと当該裏面に設けられた連通溝１３３ａ、１３３ｂを経て、連通マニホールド１０５に連通されている。
【００５４】
次に、動作について説明する。
燃料供給用のマニホールド２６を流れる燃料は、セパレータ１１２の裏側に設けられた連通溝１３３ａを通り、貫通孔３５ａを経由して、セパレータ１１２の表面１９側に到達し、燃料流路３１ａを通って、貫通孔１３５ａを経て、再び当該マニホールド１０５の裏面に廻り、連通行１３３ａを経由して連通マニホールド１０５へ行き、積層体中の他の単電池の燃料と合流した後、再び連通孔１３３ｂ及び貫通孔１３５ｂを経て、当該連通マニホールド１０５の表面１９側に戻り、燃料流路３１ｂを通って、電極（アノード）支持部を網羅してから、貫通孔３５ｂを経て、再びセパレータ１１２の裏面に廻り、連通溝３３ｂを通って燃料排出用のマニホールド２７へと流れ出る。
【００５５】
この場合、単電池５６を隔てて対向するセパレータ１１３（非図示）の表面には流体としての空気が流れる流体流路（以下、空気流路部）が形成されているが、連通マニホールド１０５と空気流路の境界は完全な閉曲線でシール剤が塗布されており、単電池５６を介して対向しているセパレータ１１２の受ける側は、閉曲線を描くよう施されたシール剤と同一平面において交差するには一切凹部、即ち従来のような溝が形成されていないため、シール剤は平面にてしっかりと挟持されるため、完全なシールを実現させることができる。
【００５６】
請求項１乃至請求項４の各発明によれば、何れも、従来では延在するシール材と同一面上で交差していた溝状の流体流路としての連通部が、前記流体流路が形成された面と反対側の面に、例えば貫通するように、当該セパレータ内部を通る構成としたので、前記流体流路が形成された当該セパレータの面に施された前記流体流路やマニホールドを気密に囲うシール剤と当該連通部との同一面上における交差を回避させることができる。
従って、当該連通部においては、平面にシール部材が施されるので、所要領域の密閉状態を十分に維持させることができ、構造が簡易で、大量生産が可能な燃料電池を提供することができる。
又、マニホールドとセパレータ面を流れるガスの連通部分を単電池と接しない裏側に設けたので、セパレータと単電池間を流れるガスを、従来に比べて、完全な閉曲線でシールすることができるので、容易に強固なガスシールを施すことができる。
【００５７】
請求項４の発明によれば、単電池とセパレータとの接着の際に、所要のシール剤を案内溝に沿って施すことができるので、必要な場所に必要な量を容易に塗布することができ、作業効率を向上させると共に、シールの信頼性を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の単電池の平面模式図である。
【図２】 実施の形態１のセパレータ表面の平面模式図である。
【図３】 実施の形態１のセパレータ裏面の平面模式図である。
【図４】 実施の形態１の要部断面模式図である。
【図５】 実施の形態２のセパレータ表面の平面模式図である。
【図６】 実施の形態２のセパレータ裏面の平面模式図である。
【図７】 実施の形態２の隣接するセパレータ表面の平面模式図である。
【図８】 実施の形態２の積層体の部分断面図である。
【図９】 実施の形態２の別の積層体の部分断面図である。
【図１０】 実施の形態３のセパレータの表面の平面模式図である。
【図１１】 実施の形態３の要部断面模式図である。
【図１２】 実施の形態３のパターン例を示す図である。
【図１３】 実施の形態３の別の要部断面模式図である。
【図１４】 実施の形態３の積層体の部分断面図である。
【図１５】 実施の形態３の積層体の別の部分断面図である。
【図１６】 実施の形態４のセパレータの表面の平面模式図である。
【図１７】 従来の燃料電池における単電池の概念的な構成を示す断面図である。
【図１８】 従来のセパレータの平面図である。
【図１９】 従来のセパレータの構成を示す一部切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１、２、５１、５２、５３、７２，７３、９２、１１２ セパレータ、３、４電極、５ 電解質膜、６、５６ 単電池、１０、１１、３１ 流体流路（所要領域）、２４、２６ マニホールド、２５、２７ マニホールド、３５、３５ａ，３５ｂ 貫通孔、３３，３３ａ，３３ｂ 溝（連通溝）、６０、６１、６２ シール剤。
Claims (4)
- 単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池に当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、前記流体流路が形成されたセパレータの面から当該セパレータの面と反対側の面に貫通する連通孔を介して、当該セパレータの面と反対側の面に隣接された更に他のセパレータの面に形成された溝状の流路を経て所要のマニホールドに連通させたことを特徴とする燃料電池。 - 単電池と１又は複数のセパレータとが交互に積層され、積層方向に貫通して所要の流体を給排するマニホールドを有し、前記単電池と当接するセパレータの面に前記単電池の電極側と対応する流体流路が溝状に形成された燃料電池において、
前記セパレータの流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通部は、当該連通部、及び、少なくとも、前記流体流路や所要のマニホールドを、前記流体流路や所要のマニホールドを流れる流体とは異なる流体が流れる空間と画するように延在するシール剤を前記セパレータの面に垂直な方向から同一平面に投影したときにシール剤と交差する部分を、前記セパレータと隣接する更に他のセパレータの内部に延在して前記流体流路と所要のマニホールドとを連通する連通孔としたことを特徴とする燃料電池。 - 連通孔を除く部分の連通部は、セパレータの面に形成された溝状の流体流路であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
- 流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に、所要領域を囲むよう設けられた案内溝にシール剤を施こし、流体流路が溝状に形成されたセパレータの面に相対する単電池或いは他のセパレータを当接させて、前記シール剤を固化させたシール構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池。
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