JP4774570B2 - 固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に改良を加えた燃料電池セパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法として、図８に示されるようにセバレータＳのマニホールド穴Ｍ側から斜めに穴Ｈを機械加工により作製し、各極の方向にそれぞれのガスを供給する方法であって、その一例として、ElectroChem,Inc.より市販されているLaboratory Test Fuel Cell Stack Model FC50-03SP 等があった。
【０００３】
従来の固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平９−２７３３４）においては、図９に示されるようにセパレータＳとは別に用意したマニホールド板ＭとガスケットＧとの間に形成した空間を通して、燃料ガスおよび酸化ガスのそれぞれを、アノードおよびカソードに別々に供給するものであった。
【０００４】
また、これに類似した従来技術で、セパレータ内にマニホールドが形成してあり、同様に、これとＯリング、ガスケット等の間に空間を形成しガス導入口としている従来技術も見受けられる。
【０００５】
さらに固体電解質型燃料電池のシール構造（特開平９−２３１９８７）においては、図１０に示されるようにセパレータＳの袖部分Ｙにガス供給の為の溝Ｖを作製しておき、後でふた部材Ｐを用いて接着剤等により接着することにより閉じて、ガスの通気口を形成するものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法は、信頼性に優れ、ガスリーク等の問題が発生しにくいという利点があるものの、熟練技術者により機械的に穴を空けているため工業的な生産には適さないとともに、マニホールドから斜めに穴をあけるため、セパレータに穴あけ加工を可能にする厚さが必要となり、小型化に適さないというという問題があった。
【０００７】
上記従来の固体高分子電解質膜型燃料電池は、前記セパレータＳの他に、前記マニホールド板ＭとガスケットＧ、Ｏリング等のガス導入口を形成する為の部品を別途用意し、それをスタック組付けの際に挟み込んで組み付ける必要があるとともに、前記ガスケットＧ、Ｏリング等の通常ゴム材質で作られた部品が、燃料ガス、酸化ガスに直接触れる為、長時間の使用で、腐食されるという問題点があった。
【０００８】
上記従来の固体電解質型燃料電池のシール構造は、前記ふた部材Ｐを用いて接着剤等で上蓋をする構造であり、長期の使用に対して、ガスリーク等の問題が起こりやすいという問題があった。
【０００９】
そこで本発明者は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するための燃料電池セパレータの導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る導入口部材を一体的に配設するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、熟練技術者による機械的加工を不要にし、前記導入口の強度を高め、小型化を可能とし、組み付け工数を低減し、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという目的を達成する本発明に到達した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材がインサート成形によって一体成形されることにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを備えている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第１発明において、
前記導入口部材は、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第２発明において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ものである。
【００１３】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第３発明において、
前記口金部材が、金型内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータに一体成形されている
ものである。
【００１４】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第４発明において、
前記口金部材が、前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した導入するガスの整流用の複数の突出部を備えている
ものである。
【００１５】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、
固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材をインサート成形により一体成形することにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを作製した
ものである。
【００１６】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、
前記第６発明において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ものである。
【００１７】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するためインサート成形可能な導電性材料より成る前記燃料電池セパレータの前記導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材がインサート成形によって一体成形されることにより一体となっているので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、前記導入口の強度を高め、小型化を可能とし、組み付け工数を低減し、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第２発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第１発明において、前記導入口部材が、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されているので、内部に矩形の導入通路が形成されるため、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、前記矩形の導入通路を介して前記各セル内に導入するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第３発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第２発明において、前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されているので、前記導入口の強度を高めるという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る第４発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第３発明において、前記口金部材が、金型内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータに一体成形されているので、前記導入口の強度を一層高めるという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る第５発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第４発明において、前記口金部材が、前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した複数の突出部が、導入するガスを整流するので、整流された導入ガスを前記各セル内に導入することを可能にするという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る第６発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材をインサート成形により一体成形することにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを作製するので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、組み付け工数を低減するという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る第７発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、前記第６発明において、前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されているので、前記導入口の強度が高いとともに、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消する前記燃料電池セパレータの作製を実現するという効果を奏する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２５】
（実施形態）
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法は、図１ないし図６に示されるように固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため導入口１２に、導入通路１２１が形成された一定の強度を有する金属材料より成る導入口部材２０としての口金部材２が一体的に配設されている燃料電池セパレータ１を備えているものである。
【００２６】
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、一対の燃料電池セパレータの間に、高分子電解質膜と、集電体とガス拡散層と触媒層とから成るガス拡散電極等が介挿され、多数積層されている。
【００２７】
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に反応させることによって、その際に生ずる起電力を得る装置である。
【００２８】
燃料ガスとして水素ガスを、酸化ガスとして酸素を用いた際の電極反応は、アノード極側では、数１に示される反応が起こる。
【数１】
生成したプロトンは固体電解質膜の中を通り、カソード極で、数２に示される反応が起こり、両極間に１．２３Ｖの起電力が生ずる。
【数２】
【００２９】
必要としている電位がそれよりも高い場合、燃料電池の単セルを直列に接続し、スタック構造にすることによって、高い電圧を得ようとすることが通常行われる。この際、燃料ガス、酸化ガスは、それぞれマニホールド内を通り各セルに分配・供給される。
【００３０】
マニホールドの形式として、セパレータの外部にマニホールド部分を別途用意する外部マニホールド方式とセパレータ内部にマニホールド用の孔が設けてあり、それをスタックとして積み上げることによりマニホールドとしての役割を与える内部マニホールド方式に分類される。
【００３１】
このうち内部マニホールド方式の方が燃料電池の構造が単純になるため、最近、好まれて採用される傾向にある。内部マニホールド形式を採用する場合、燃料ガス、酸化ガスと共にセパレータを積層することによって、形成されたマニホールド内を通って供給されるが、マニホールドから、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれをアノード、カソードに区別し、別々に供給する必要がある。そのマニホールドからアノード、カソードにそれぞれのガスを分配する為のガス導入口の構造が必要となる。
【００３２】
本実施形態の燃料電池セパレータ１は、図１および図２に示されるように燃料ガスまたは酸化ガスは、マニホールド１１を通って、インサート成型したガス導入口１２から、アノード、カソードに分配するように構成されている。
【００３３】
本発明者は、図１に示されるセパレータを成形するために図４および図５に示されるような金型３を作製した。前記ガス導入口１２として、予め図６に示したような外壁面がロの字状の横断面形状を備えた矩形中空部材の口金２を、ステンレス板を曲げて、溶接することにより作製した。
【００３４】
ここでは、前記口金２としてステンレスを用いたが、樹脂、セラミックス等の燃料電池の運転条件で腐食されない材質であれば、導電性、非導電性を問わず使用する事が可能である。
【００３５】
また前記口金２としてのインサート部品の材質に関して、ステンレス、チタン、貴金属類のような耐食性に優れた金属類並びに、チタン貴金属をメッキ処理等で表面を防食処理した金属類が望ましいのは、言うまでもない。
【００３６】
成形時の圧力により、前記口金２の開口部がつぶれる可能性があるので、前記口金２の開口部の大きさに合わせたスペーサを挿入した。このスペーサを挿入した口金２をセパレータ成型用金型３にセットする。
【００３７】
成形材料の一例として、特開平１０−３３４９２７に記載されている方法を用いてフェノール樹脂とグラファイトの複合材料を調製した。この成形材料を、セパレータ下金型のキャビティ内に均一に投入・展開し、上金型（図示せず）で加圧し、加熱することでフェノール樹脂を硬化させた。
【００３８】
この際の成形条件として、成型圧３００ｋｇｆ／ｃｍ2 、成形温度１７０℃、硬化時間１０分とした。成型後、スペーサを抜きとることにより、図１に示したようなマニホールド１１からセパレータの片面だけに燃料ガスを導入することが可能なガス導入口１２を有した燃料電池セパレータ１を一体成形する事が出来た。
【００３９】
上記構成より成る本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、導入通路１２１が形成された一定の強度を有する材料より成る導入口部材２０が一体的に配設されているので、上述した従来における熟練技術者による機械的加工を不要にするという効果を奏する。
【００４０】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、ステンレスのような金属製の矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２の強度を高めるとともに、シンプルな形状であるので後述するようにガスの整流作用を持たせる等のガス導入部の設計の自由度が高いという効果を奏する。
【００４１】
さらに本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記口金部材２が、前記金型３内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータ１に一体成形されているので、上記従来における組み付け工数を低減するとともに前記導入口の強度を一層高めるという効果を奏する。
【００４２】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、ステンレス板を曲げて溶接することにより作製した矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、従来における穴あけ加工を不要にして、穴あけ加工が可能な厚さに限定されないため、従来に比べて薄肉化および小型化を可能とするという効果を奏する。
【００４３】
さらに本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、耐腐食性とともに強度が高いステンレス製の矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという効果を奏する。
【００４４】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記導入口部材２０が、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されているので、内部に前記矩形の導入通路１２１が形成されるため、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、前記矩形の導入通路１２１を介して前記各セル内に導入するという効果を奏する。
【００４５】
さらに本第１実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため前記導入口にインサート成形により導入通路１２１が形成された一定の強度を有する材料より成る前記導入口部材２０を一体成形することにより、前記燃料電池セパレータ１を作製するので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、組み付け工数を低減するとともに、成形と同時にガス導入構造を形成できるので安価に製造できるという効果を奏する。
【００４６】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、前記導入口部材２０が、一定の強度を有する金属としてのステンレスより成る口金部材２によって構成されているので、前記導入口１２の強度が高いとともに、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消する前記燃料電池セパレータの作製を実現するという効果を奏する。
【００４７】
すなわち本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法では、前記セパレータ１のガス導入口部分１２を別途、金属、樹脂等で予め作製しておき、成形可能な導電性材料を用いて、前記セパレータ１を成形する際に、前記成形金型３にそのガス導入部分をセットし、インサート成形することにより一体成形することを特徴とするものである。
【００４８】
このように作製されたガス導入部は、ガス漏れ等のトラブルがなく、耐久性に優れ、スタックの組み付けも容易なセパレータ１を製造するものである。
【００４９】
その他、電位モニターの為の端子、温度センサ、スタック間接合のため結合材等を、予め成形金型にセットしておき、インサート成形することにより、一体化することも同様に可能である。
【００５０】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００５１】
上述の実施形態においては、成型材料の一例として、フェノール樹脂とグラファイトの複合材を用いたが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じてその他の熱硬化系樹脂または熱可塑性の樹脂と導電性フィラーとの複合材、導電セラミックの成型材料等を採用することが可能である。
【００５２】
また上述の実施形態においては、成形方法の一例として圧縮成形により成形を行う例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じてトランスファー成形、射出成形等の方法を採用することが可能である。
【００５３】
さらに上述の実施形態においては、口金部材２のシンプルな形状の一例として横断面ロの字状の口金部材の例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じて前記口金部材２が、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示されるように前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した複数の薄肉のフィン状の突出部２２、２３を形成することにより、該フィン状の突出部２２、２３が、導入されたガスを整流するので、整流された導入ガスを前記各セル内に導入することを可能にするという効果を奏する。
【００５４】
また上述の実施形態の製造方法は、燃料ガス、酸化ガスの導入口１２の形成のみならず、スタック内を温調する必要が生じた場合の、冷却水の導入口の形成方法としても有効である。
【００５５】
さらに上述の実施形態の製造方法におけるインサートを用いた射出成形において、金型の一例として静止金型を用いる例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、可動金型を用いる射出成形も採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の固体高分子電解質型燃料電池における燃料電池セパレータを示す正面図である。
【図２】本実施形態における燃料電池セパレータの図１中Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本実施形態における燃料電池セパレータの図１中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】本実施形態における燃料電池セパレータ用の下金型を示す正面図である。
【図５】本実施形態における下金型の図４中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】本実施形態における下金型内にインサートされる口金部材を示す斜視図である。
【図７】本実施形態における下金型内にインサートされる口金部材のその他の例を示す横断面図である。
【図８】従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法を示す説明図である。
【図９】従来の固体高分子電解質膜型燃料電池を示す概略図である。
【図１０】従来の固体電解質型燃料電池のシール構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池セパレータ
２ 口金部材
１１ 内部マニホールド
１２ 導入口
２０ 導入口部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に改良を加えた燃料電池セパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法として、図８に示されるようにセバレータＳのマニホールド穴Ｍ側から斜めに穴Ｈを機械加工により作製し、各極の方向にそれぞれのガスを供給する方法であって、その一例として、ElectroChem,Inc.より市販されているLaboratory Test Fuel Cell Stack Model FC50-03SP 等があった。
【０００３】
従来の固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平９−２７３３４）においては、図９に示されるようにセパレータＳとは別に用意したマニホールド板ＭとガスケットＧとの間に形成した空間を通して、燃料ガスおよび酸化ガスのそれぞれを、アノードおよびカソードに別々に供給するものであった。
【０００４】
また、これに類似した従来技術で、セパレータ内にマニホールドが形成してあり、同様に、これとＯリング、ガスケット等の間に空間を形成しガス導入口としている従来技術も見受けられる。
【０００５】
さらに固体電解質型燃料電池のシール構造（特開平９−２３１９８７）においては、図１０に示されるようにセパレータＳの袖部分Ｙにガス供給の為の溝Ｖを作製しておき、後でふた部材Ｐを用いて接着剤等により接着することにより閉じて、ガスの通気口を形成するものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法は、信頼性に優れ、ガスリーク等の問題が発生しにくいという利点があるものの、熟練技術者により機械的に穴を空けているため工業的な生産には適さないとともに、マニホールドから斜めに穴をあけるため、セパレータに穴あけ加工を可能にする厚さが必要となり、小型化に適さないというという問題があった。
【０００７】
上記従来の固体高分子電解質膜型燃料電池は、前記セパレータＳの他に、前記マニホールド板ＭとガスケットＧ、Ｏリング等のガス導入口を形成する為の部品を別途用意し、それをスタック組付けの際に挟み込んで組み付ける必要があるとともに、前記ガスケットＧ、Ｏリング等の通常ゴム材質で作られた部品が、燃料ガス、酸化ガスに直接触れる為、長時間の使用で、腐食されるという問題点があった。
【０００８】
上記従来の固体電解質型燃料電池のシール構造は、前記ふた部材Ｐを用いて接着剤等で上蓋をする構造であり、長期の使用に対して、ガスリーク等の問題が起こりやすいという問題があった。
【０００９】
そこで本発明者は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するための燃料電池セパレータの導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る導入口部材を一体的に配設するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、熟練技術者による機械的加工を不要にし、前記導入口の強度を高め、小型化を可能とし、組み付け工数を低減し、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという目的を達成する本発明に到達した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材がインサート成形によって一体成形されることにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを備えている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第１発明において、
前記導入口部材は、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第２発明において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ものである。
【００１３】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第３発明において、
前記口金部材が、金型内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータに一体成形されている
ものである。
【００１４】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の固体高分子電解質型燃料電池は、
前記第４発明において、
前記口金部材が、前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した導入するガスの整流用の複数の突出部を備えている
ものである。
【００１５】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、
固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材をインサート成形により一体成形することにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを作製した
ものである。
【００１６】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、
前記第６発明において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ものである。
【００１７】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するためインサート成形可能な導電性材料より成る前記燃料電池セパレータの前記導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材がインサート成形によって一体成形されることにより一体となっているので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、前記導入口の強度を高め、小型化を可能とし、組み付け工数を低減し、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第２発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第１発明において、前記導入口部材が、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されているので、内部に矩形の導入通路が形成されるため、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、前記矩形の導入通路を介して前記各セル内に導入するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第３発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第２発明において、前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されているので、前記導入口の強度を高めるという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る第４発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第３発明において、前記口金部材が、金型内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータに一体成形されているので、前記導入口の強度を一層高めるという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る第５発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記第４発明において、前記口金部材が、前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した複数の突出部が、導入するガスを整流するので、整流された導入ガスを前記各セル内に導入することを可能にするという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る第６発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材をインサート成形により一体成形することにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを作製するので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、組み付け工数を低減するという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る第７発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、前記第６発明において、前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されているので、前記導入口の強度が高いとともに、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消する前記燃料電池セパレータの作製を実現するという効果を奏する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２５】
（実施形態）
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池およびその製造方法は、図１ないし図６に示されるように固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため導入口１２に、導入通路１２１が形成された一定の強度を有する金属材料より成る導入口部材２０としての口金部材２が一体的に配設されている燃料電池セパレータ１を備えているものである。
【００２６】
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、一対の燃料電池セパレータの間に、高分子電解質膜と、集電体とガス拡散層と触媒層とから成るガス拡散電極等が介挿され、多数積層されている。
【００２７】
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に反応させることによって、その際に生ずる起電力を得る装置である。
【００２８】
燃料ガスとして水素ガスを、酸化ガスとして酸素を用いた際の電極反応は、アノード極側では、数１に示される反応が起こる。
【数１】
【数２】
必要としている電位がそれよりも高い場合、燃料電池の単セルを直列に接続し、スタック構造にすることによって、高い電圧を得ようとすることが通常行われる。この際、燃料ガス、酸化ガスは、それぞれマニホールド内を通り各セルに分配・供給される。
【００３０】
マニホールドの形式として、セパレータの外部にマニホールド部分を別途用意する外部マニホールド方式とセパレータ内部にマニホールド用の孔が設けてあり、それをスタックとして積み上げることによりマニホールドとしての役割を与える内部マニホールド方式に分類される。
【００３１】
このうち内部マニホールド方式の方が燃料電池の構造が単純になるため、最近、好まれて採用される傾向にある。内部マニホールド形式を採用する場合、燃料ガス、酸化ガスと共にセパレータを積層することによって、形成されたマニホールド内を通って供給されるが、マニホールドから、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれをアノード、カソードに区別し、別々に供給する必要がある。そのマニホールドからアノード、カソードにそれぞれのガスを分配する為のガス導入口の構造が必要となる。
【００３２】
本実施形態の燃料電池セパレータ１は、図１および図２に示されるように燃料ガスまたは酸化ガスは、マニホールド１１を通って、インサート成型したガス導入口１２から、アノード、カソードに分配するように構成されている。
【００３３】
本発明者は、図１に示されるセパレータを成形するために図４および図５に示されるような金型３を作製した。前記ガス導入口１２として、予め図６に示したような外壁面がロの字状の横断面形状を備えた矩形中空部材の口金２を、ステンレス板を曲げて、溶接することにより作製した。
【００３４】
ここでは、前記口金２としてステンレスを用いたが、樹脂、セラミックス等の燃料電池の運転条件で腐食されない材質であれば、導電性、非導電性を問わず使用する事が可能である。
【００３５】
また前記口金２としてのインサート部品の材質に関して、ステンレス、チタン、貴金属類のような耐食性に優れた金属類並びに、チタン貴金属をメッキ処理等で表面を防食処理した金属類が望ましいのは、言うまでもない。
【００３６】
成形時の圧力により、前記口金２の開口部がつぶれる可能性があるので、前記口金２の開口部の大きさに合わせたスペーサを挿入した。このスペーサを挿入した口金２をセパレータ成型用金型３にセットする。
【００３７】
成形材料の一例として、特開平１０−３３４９２７に記載されている方法を用いてフェノール樹脂とグラファイトの複合材料を調製した。この成形材料を、セパレータ下金型のキャビティ内に均一に投入・展開し、上金型（図示せず）で加圧し、加熱することでフェノール樹脂を硬化させた。
【００３８】
この際の成形条件として、成型圧３００ｋｇｆ／ｃｍ2 、成形温度１７０℃、硬化時間１０分とした。成型後、スペーサを抜きとることにより、図１に示したようなマニホールド１１からセパレータの片面だけに燃料ガスを導入することが可能なガス導入口１２を有した燃料電池セパレータ１を一体成形する事が出来た。
【００３９】
上記構成より成る本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、導入通路１２１が形成された一定の強度を有する材料より成る導入口部材２０が一体的に配設されているので、上述した従来における熟練技術者による機械的加工を不要にするという効果を奏する。
【００４０】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、ステンレスのような金属製の矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２の強度を高めるとともに、シンプルな形状であるので後述するようにガスの整流作用を持たせる等のガス導入部の設計の自由度が高いという効果を奏する。
【００４１】
さらに本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記口金部材２が、前記金型３内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータ１に一体成形されているので、上記従来における組み付け工数を低減するとともに前記導入口の強度を一層高めるという効果を奏する。
【００４２】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、ステンレス板を曲げて溶接することにより作製した矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、従来における穴あけ加工を不要にして、穴あけ加工が可能な厚さに限定されないため、従来に比べて薄肉化および小型化を可能とするという効果を奏する。
【００４３】
さらに本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記燃料電池セパレータ１の前記導入口１２に、耐腐食性とともに強度が高いステンレス製の矩形中空部材の口金２を一体的に配設するものであるので、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消するという効果を奏する。
【００４４】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は、前記導入口部材２０が、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されているので、内部に前記矩形の導入通路１２１が形成されるため、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、前記矩形の導入通路１２１を介して前記各セル内に導入するという効果を奏する。
【００４５】
さらに本第１実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、燃料ガス、酸化ガスを前記内部マニホールド１１から、各セル内に導入するため前記導入口にインサート成形により導入通路１２１が形成された一定の強度を有する材料より成る前記導入口部材２０を一体成形することにより、前記燃料電池セパレータ１を作製するので、熟練技術者による機械的加工を不要にし、組み付け工数を低減するとともに、成形と同時にガス導入構造を形成できるので安価に製造できるという効果を奏する。
【００４６】
また本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、前記導入口部材２０が、一定の強度を有する金属としてのステンレスより成る口金部材２によって構成されているので、前記導入口１２の強度が高いとともに、長時間の使用による腐食およびガスリーク等の問題を解消する前記燃料電池セパレータの作製を実現するという効果を奏する。
【００４７】
すなわち本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法では、前記セパレータ１のガス導入口部分１２を別途、金属、樹脂等で予め作製しておき、成形可能な導電性材料を用いて、前記セパレータ１を成形する際に、前記成形金型３にそのガス導入部分をセットし、インサート成形することにより一体成形することを特徴とするものである。
【００４８】
このように作製されたガス導入部は、ガス漏れ等のトラブルがなく、耐久性に優れ、スタックの組み付けも容易なセパレータ１を製造するものである。
【００４９】
その他、電位モニターの為の端子、温度センサ、スタック間接合のため結合材等を、予め成形金型にセットしておき、インサート成形することにより、一体化することも同様に可能である。
【００５０】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００５１】
上述の実施形態においては、成型材料の一例として、フェノール樹脂とグラファイトの複合材を用いたが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じてその他の熱硬化系樹脂または熱可塑性の樹脂と導電性フィラーとの複合材、導電セラミックの成型材料等を採用することが可能である。
【００５２】
また上述の実施形態においては、成形方法の一例として圧縮成形により成形を行う例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じてトランスファー成形、射出成形等の方法を採用することが可能である。
【００５３】
さらに上述の実施形態においては、口金部材２のシンプルな形状の一例として横断面ロの字状の口金部材の例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じて前記口金部材２が、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示されるように前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した複数の薄肉のフィン状の突出部２２、２３を形成することにより、該フィン状の突出部２２、２３が、導入されたガスを整流するので、整流された導入ガスを前記各セル内に導入することを可能にするという効果を奏する。
【００５４】
また上述の実施形態の製造方法は、燃料ガス、酸化ガスの導入口１２の形成のみならず、スタック内を温調する必要が生じた場合の、冷却水の導入口の形成方法としても有効である。
【００５５】
さらに上述の実施形態の製造方法におけるインサートを用いた射出成形において、金型の一例として静止金型を用いる例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、可動金型を用いる射出成形も採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の固体高分子電解質型燃料電池における燃料電池セパレータを示す正面図である。
【図２】本実施形態における燃料電池セパレータの図１中Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本実施形態における燃料電池セパレータの図１中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】本実施形態における燃料電池セパレータ用の下金型を示す正面図である。
【図５】本実施形態における下金型の図４中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】本実施形態における下金型内にインサートされる口金部材を示す斜視図である。
【図７】本実施形態における下金型内にインサートされる口金部材のその他の例を示す横断面図である。
【図８】従来の燃料電池セパレータのガス導入口の作製方法を示す説明図である。
【図９】従来の固体高分子電解質膜型燃料電池を示す概略図である。
【図１０】従来の固体電解質型燃料電池のシール構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池セパレータ
２ 口金部材
１１ 内部マニホールド
１２ 導入口
２０ 導入口部材
Claims (7)
- 固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に、導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材がインサート成形によって一体成形されることにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを備えている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 請求項１において、
前記導入口部材は、外壁面がロの字状の横断面形状を備えた部材によって構成されている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 請求項２において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 請求項３において、
前記口金部材が、金型内に予め載置され、インサート成形により前記燃料電池セパレータに一体成形されている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 請求項４において、
前記口金部材が、前記外壁面を構成する壁面部材の内壁面より内方に突出した導入するガスの整流用の複数の突出部を備えている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 固体高分子電解質型燃料電池において、
燃料ガス、酸化ガスを内部マニホールドから、各セル内に導入するため導入口に導入通路が形成された一定の強度を有する材料より成る矩形中空部材の導入口部材をインサート成形により一体成形することにより一体となっているインサート成形可能な導電性材料より成る燃料電池セパレータを作製した
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。 - 請求項６において、
前記導入口部材が、一定の強度を有する金属より成る口金部材によって構成されている
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。
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