JP4995573B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに使用する燃料電池、特に高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。

従来の燃料電池として高分子電解質型燃料電池がある。この高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜を挟んで触媒反応層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードが形成されており、アノード及びカソードにそれぞれ、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（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。そして、アノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素原子から電子が開放されて水素イオンが生成されるとともに、この電子が外部回路（負荷）を通じてカソードに到達する。一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソードに到達する。そして、カソードにおいて、水素イオンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。そして、この反応の際に電力と熱とが同時に発生する。

ここで、従来の燃料電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金などの触媒能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成した後、この触媒反応層の外側に燃料ガスの通気性と電子伝導性を併せ持つガス拡散層を形成したものが使用される。これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ。

次に、従来の燃料電池においては、図１６に示すように、供給する燃料ガス及び酸化剤ガスが外に漏れ出したり、それぞれのガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＡ４のガス拡散層５及び触媒層６を囲むようにして高分子電解質膜７の周縁部に当接するガスケット４０を配設し、さらに、隣接したＭＥＡ４を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ４１を配設したものが用いられる。ＭＥＡ４とガスケット４０とセパレータ４１とで構成されたものをセルと呼ぶ。

セパレータ４１とＭＥＡ４のガス拡散層５とが接触する部分には、アノード及びカソードに反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路３が形成されている。ガス流路３はセパレータ４１と別に設けることもできるが、セパレータ４１の表面に溝を形成し、この溝とガス拡散層５とによって形成される流路溝をガス流路３とする方式が一般的である。

また、従来の燃料電池においては、前記高分子電解質膜７の機械的強度が弱いため、図１７に示すように、高分子電解質膜７の周縁部を保護膜１０で補強する方法も採用されている（特許文献１、特許文献２参照）。

上記のような燃料電池では、ＭＥＡ４がセパレータ４１によって均一に加圧されている必要がある。ＭＥＡ４がセパレータ４１によって均一に加圧されていない場合には、ＭＥＡ４がセパレータ４１によって強く加圧される部分と、弱く加圧される部分とが生じる。

ここで、ＭＥＡ４がセパレータ４１によって強く加圧される部分においては、前述したように固体電解質膜７は機械的強度が弱いため、局所的な圧力の集中により固体電解質膜７にピンホールが生じる原因となる。

一方、ＭＥＡ４がセパレータ４１によって弱く加圧される部分においては、ガス拡散層５とセパレータ４１とが十分に接触せず、全体としてガス拡散層５とセパレータ４１との接触面積が減少するため、発電電圧が低下してしまう。

さらに、ＭＥＡ４がセパレータ４１によって弱く加圧される部分においては、セパレータ４１とガス拡散層５との間に隙間が生じることがある。そして、図１８に示すように、反応ガス供給マニホールド孔２ａから供給された反応ガスが反応ガス排出マニホールド孔２ｂに至る過程において、この隙間を通り抜けやすくなり（図１８中のＢで示した部分）、ガス流路３の一部に反応ガスの供給が不足する部分が生じる（図１８中のＡで示した部分）。反応ガスの供給が不足する部分では、電極反応の分極が増大するため、電池性能が低下する。

また、一般的な固体高分子電解質膜７は、湿潤状態で高いイオン伝導性を示すため、セパレータ４１に形成されたガス流路３に供給される反応ガスは加湿された状態となっている。さらに電極反応による生成水が加わるため、ガス流路３の中は結露水が発生しやすい環境となっている。この結露水がガス流路３を閉塞することを防ぐため、従来の燃料電池におけるガス流路３は、結露水を除去するのに十分な圧力で反応ガスが供給されるよう設計がなされている。しかし、前述のようにガス流路３の反応ガスの供給が不足する部分では、結露水を除去する能力が低下し、電池性能が低下することになる。

そこで、上記のような燃料電池では、ガス拡散層５がセパレータ４１によって均一に加圧されるようにするため、セパレータ４１とガス拡散層５との接触面が均一となるように、ガス拡散層５と接触するセパレータ４１の表面高さを均一にすることが一般的であった。
特開平５−２４２８９７号公報 特開２００４−４７２３０号公報

しかしながら、上記のような従来の燃料電池においては、セパレータとガス拡散層とが十分均一に接触していなかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、セパレータとガス拡散層とが十分均一に接触した燃料電池を提供することを目的としている。

本件発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ガス拡散層の製造時において、ガス拡散層の外面の周縁部に隆起部が形成されることが原因であることを突き止めた。すなわち、ガス拡散層を製造する場合には、面積の大きい原反から目的とする寸法にガス拡散層を切断加工する方法が一般的に用いられる。しかし、切断加工時にガス拡散層の切断端部に隆起部が形成されるため、ガス拡散層は均一な厚みとはならない。加工時の厚みの変化は、ガス拡散層の寸法や材質などにより多少の違いがあるが、例えば、実際にカーボンクロス（東レ株式会社製：ＣＯ６６４５Ｂ）を切断加工し、その厚みを測定した結果、ガス拡散層の切断端部より１ｍｍ内側までの周縁部において、他の部分よりも厚みが５％〜１０％増大していた。また、図１７に示すように、高分子電解質膜の周縁部を保護膜で補強した場合には、ガス拡散層の外面の周縁部に形成される隆起部が大きくなり、周縁部の厚みがさらに増大する。

従って、本件発明者らは、従来のようにガス拡散層と接触するセパレータの表面高さを均一にしても、ガス拡散層の外面の周縁部に隆起部が形成されている場合においては、セパレータとガス拡散層との接触面を均一にすることができないことを見いだした。

そして、上記のような周縁部の厚くなったガス拡散層を用いて燃料電池を製造すると、１０，０００時間を超えるような長期間、燃料電池を作動させた場合に、高分子電解質膜の劣化が促進されることが明らかになった。これは、ガス拡散層の周縁部が高分子電解質膜を局所的に押圧することが原因であると推測される。

そこで、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対のガス拡散層とを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設され、全体として板状に形成され、導電性を有するセパレート部及び該セパレート部に比べて弾性的なシール部を有し、少なくとも前記セパレート部が前記ガス拡散層に当接し、かつ前記シール部が前記ガス拡散層を囲むようにして前記高分子電解質膜の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータと、を有するセルを有し、１以上の前記セルが積層されてなる燃料電池において、前記自己シールセパレータに前記ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部を収容する低部が形成され、該低部に前記シール部が配設されている。

このような構成とすると、ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部が前記低部に収容されるため、自己シールセパレータのセパレート部とガス拡散層とを十分均一に接触させることができる。また、前記低部にシール部が配設されているので、シール部とセパレート部との位置決めが簡単になり、燃料電池の組立が容易になる。

前記低部が前記自己シールセパレータの内面に形成され前記隆起部を収容する溝を有し、かつ該溝に前記シール部が配設されていてもよい。

前記低部が前記自己シールセパレータの内面に前記隆起部を収容可能なように他の部分より低く形成された段部を有し、かつ該段部に前記シール部が配設されていてもよい。

前記低部が前記自己シールセパレータの内面に形成された溝を有し、該溝に前記シール部が配設され、該シール部が前記ＭＥＡの高分子電解質膜の周縁部に当接する凸部と該溝の該凸部が形成されていない領域の底面に膜状に形成され弾性変形して前記隆起部を収容する弾性膜部とを有していてもよい。

また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対のガス拡散層とを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設され、全体として板状に形成され、導電性を有するセパレート部及び該セパレート部に比べて弾性的なシール部を有し、少なくとも前記セパレート部が前記ガス拡散層に当接し、かつ前記シール部が前記ガス拡散層を囲むようにして前記高分子電解質膜の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータと、を有するセルを有し、１以上の前記セルが積層されてなる燃料電池において、前記自己シールセパレータに前記ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部を収容する低部が形成され、該低部が、前記自己シールセパレータの内面に形成された溝と、該溝の開口部に架け渡された弾性膜とを備える。

また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対のガス拡散層とを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設され、全体として板状に形成され、導電性を有するセパレート部及び該セパレート部に比べて弾性的なシール部を有し、少なくとも前記セパレート部が前記ガス拡散層に当接し、かつ前記シール部が前記ガス拡散層を囲むようにして前記高分子電解質膜の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータと、を有するセルを有し、１以上の前記セルが積層されてなる燃料電池において、前記自己シールセパレータに前記ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部を収容する隆起部収容部が形成され、該隆起部収容部が、前記自己シールセパレータの内面に形成された貫通孔と、該貫通孔に充填され弾性変形して前記隆起部を収容する弾性充填部材を備える。

また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対のガス拡散層とを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設され、全体として板状に形成され、導電性を有するセパレート部及び該セパレート部に比べて弾性的なシール部を有し、少なくとも前記セパレート部が前記ガス拡散層に当接し、かつ前記シール部が前記ガス拡散層を囲むようにして前記高分子電解質膜の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータと、を有するセルを有し、１以上の前記セルが積層されてなる燃料電池において、前記自己シールセパレータに前記ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部を収容する隆起部収容部が形成され、前記自己シールセパレータの、前記ガス拡散層の前記隆起部が形成された部分より内方の部分に当接する第１の部分及び該第１の部分以外の第２の部分がそれぞれ前記セパレート部及び前記シール部で構成され、該シール部が弾性変形して前記隆起部を収容するようにして、前記隆起部収容部を構成している。

このような構成とすると、燃料電池に用いられる部品の加工の手間を省くことができるため、燃料電池の生産性を向上させることができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は、上述のような構成を有しており、燃料電池において、自己シールセパレータのセパレート部とガス拡散層とを十分に接触させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図２は、本発明の第１実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図１に示すII-II線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図３は、本発明の第１実施形態の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池は、自己シールセパレータ１を備えている。自己シールセパレータ１は、セパレート部４１と、このセパレート部４１に形成されたシール部４０とを有している。セパレート部４１は、いわゆるセパレータに相当し、ここでは、矩形の板状に形成されている。そして、セパレート部４１の一方の主面（以下、内面という）に、通常のシール部材（ここではガスケット）が配設されてシール部４０が形成されている。このように、本発明においては、シール部材を備えたセパレータ、すなわち、セパレータとセパレータに配設されたシール部材とを総称して自己シールセパレータ１と呼び、セパレータに相当する部分をセパレート部４１と呼び、シール部材に相当する部分をシール部４０と呼ぶ。

自己シールセパレータ１は、後述するセル１０２毎に一対配設されている。まず、一方の自己シールセパレータ１について説明する。

一方の自己シールセパレータ１のセパレート部４１は、剛性を有する導電性の板材で製造することができる。例えば、セパレート部４１は、グラッシーカーボン製の板の表面に切削加工で後述するガス流路３を形成する方法により製造することができる。また、セパレート部４１は、天然黒鉛や人造黒鉛などの導電性炭素材料に、熱可塑性樹脂（ポリエチレン、ポリビニルアルコールなど）又は熱硬化性樹脂（フェノール樹脂、エポキシ樹脂など）をバインダーとして添加したものを、当該樹脂（熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂）が黒鉛化しない温度で、加熱圧縮成形、トランスファー成形または射出成形して製造することもできる。さらに、セパレート部４１は、金属製の板（ステンレス鋼、金メッキした銅、鉄など）をプレス加工して製造することもできる。このセパレート部４１の周縁部には、２種類の反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）をそれぞれ供給及び排出する二対のマニホールド孔２が、該セパレート部４１を厚み方向に貫通するように形成されている。そして、一方の対のマニホールド孔２を接続するように一方の種類の反応ガスの流路（以下、ガス流路という）３が形成されている。ガス流路３の大部分は、セパレート部４１の内面の周縁部を除く所定の領域（以下、流路形成領域という）１０３に形成されている。この流路形成領域１０３は、後述するように、自己シールセパレータ１がセル１０２に組み込まれたときに、ＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１を除く部分が当接する領域である。ガス流路３は、セパレート部４１の内面に形成された溝で構成され、多数の分流路を有するように形成されている。

そして、流路形成領域１０３を囲むように隆起部収容部１１が形成されている。隆起部収容部１１は、セパレート部４１の内面に形成された低部としての溝で構成されている。本発明において、低部とは、溝（第２、第３、第５、及び第７実施形態）、及び低位段部（第６実施形態）を含む概念である。隆起部収容部１１は、後述するように、自己シールセパレータ１がセル１０２に組み込まれたとき、ＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１が位置する領域である。隆起部５１は、ガス拡散層５の周縁部に環状に形成されている。そして、隆起部収容部１１は、セパレート部４１の流路形成領域１０３がガス拡散層５の隆起部５１を除く領域に当接した状態で、隆起部５１を収容可能な幅及び深さを有するように形成されている。隆起部収容部１１は、ガス流路３より浅く形成されているので、流路形成領域１０３とマニホールド孔２との間に形成されたガス流路３によって切断されている（ガス流路３上には隆起部収容部１１が形成されていない）。隆起部収容部１１は、セパレート部４１の一領域として成形加工や射出成形加工などにより形成される。また、隆起部収容部１１は、セパレート部４１を作成後、これを切削加工することにより形成される。隆起部収容部１１の溝の深さは、ガス拡散層の材質や寸法、加工精度などにより最適な設計を行う必要があるが、次式で求められる値以上であればよい。

溝の深さ＝（ｔ_ｒ−ｔ×β）×α
ここで、図２に示すように、ｔ_ｒはガス拡散層５の隆起部５１の厚み、ｔはガス拡散層５の隆起部５１以外の部分の厚みである。また、βはガス拡散層５の締結時の圧縮率（セルスタックに組み立てられた状態における圧縮率）、αはセパレート部４１やガス拡散層５の公差から決定される係数（安全係数）である。

そして、この隆起部収容部１１と二対のマニホールド孔２を囲むように、シール部４０が形成されている。シール部４０は、他方の対の各マニホールド孔に関しては、これを囲むように形成されている。シール部４０は、自己シールセパレータ１がセル２に組み込まれた状態でＭＥＡ４の高分子電解質膜７の周縁部に当接可能な高さに形成されている。シール部４０は、ここでは、セパレート部４１より大きな弾性を有する材料からなるシール部材がセパレート部４１の内面に形成された溝（図示せず）に嵌挿されるようにして形成されている。シール部４０を構成するシール材料としては、本発明の作用効果を得られるものであれば特に限定されないが、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、天然ゴム、エチレン−プロピレンゴム（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、熱可塑性エラストマー（ポリスチレン系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーなど）、ラテックス（イソプレンゴム、ブタジエンゴムなど）を用いた接着剤、液状の接着剤（ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴムなどを用いた接着剤）などを好ましく挙げることができる。なお、上述のシール材料は、単体で用いてもよく、２種類以上を混合して用いてもよく、２種類以上を複合して用いてシール部４０を構成してもよい。

また、上述したシール材料の他に、難燃剤や可塑剤などの添加剤をさらに適宜配合してシール部４０を構成し、難燃性の向上、可塑性の向上などの目的とする機能の向上を図ってもよい。

上記難燃剤としては、本発明の作用効果を得られるものであれば特に限定されないが、例えば、塩素化パラフィン、パークロロシクロデカン、クロレンド酸、フォスフェートエステル、フォスフォネート、フォスフォリネン、塩素化フォスフェートエステル、塩素化ジフォスフェート、臭素化フォスフェートエステル、テトラブロモ無水フタル酸、ポリジブロモフェニレンオキサイド、ポリテトラブロモスチレン、ヘキサブロモシクロドデカン、メラミンリン酸塩ジメラミンフォスフェート、ポリリン酸アンモニウムなどを好ましく挙げることができる。

上記可塑剤としては、本発明の作用効果を得られるものであれば特に限定されないが、例えば、フタル酸エステル、ジオクチルアジペート、ジイソノニルアジペート、トリメリット酸エステル、ピロメリット酸エステル、ビフェニルテトラカルボン酸エステルなどを好ましく挙げることができる。

次に、他方の自己シールセパレータ１について説明する。この他方の自己シールセパレータ１では、他方の対のマニホールド孔２を結ぶように他方の種類の反応ガスのガス流路３が形成されている。そして、シール部４０は、他方の対の各マニホールド孔ではなく、一方の対の各マニホールド孔２を囲むよう形成されている。これ以外の点は、一方の自己シールセパレータ１と同様である。

そして、この一対の自己シールセパレータ１の流路形成領域１０３が形成された面（内面）でＭＥＡ４を挟むようにして、セル１０２が形成されている。ＭＥＡ４は周知のもので構成され、背景技術の欄でも説明したので、その詳細な説明は省略する。ＭＥＡ４は、高分子電解質膜７の周縁部を除く部分の各面にそれぞれ触媒層６及びガス拡散層５が積層されて構成されている。そして、ガス拡散層５の周縁部に、加工方法に起因する隆起部５１が形成されている。ガス拡散層５は通気性と電子伝導性とを有する材料で構成されている。このような材料として、織布（例えばカーボンクロス）、不織布、紙、パンチングメタル、スチールウール、及びパンチングメタルとスチールウールとを組み合わせたものなどが挙げられる。また、ガス拡散層５は、弾性を有する材料で構成することが好ましい。

セル１０２では、ＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１を除く部分と自己シールセパレータ１の流路形成領域１０３とが当接している。これにより、ガス流路３を流れる反応ガスが電極（ガス拡散層５及び触媒層６）に供給される。また、ガス拡散層５の隆起部５１が自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１に収容されている。そして、自己シールセパレータ１のシール部４０の先端がＭＥＡ４の高分子電解質膜７の周縁部に当接している。これにより、反応ガスが外部にリークしたり、２種類の反応ガスが混ざったりすることが防止される。

そして、図３に示すように、このセル１０２が厚み方向に所定数積層され、このセル１０２の積層体の各端に集電板８、絶縁板（図示せず）、及び端板９がそれぞれ配置され、かつ各セル１０２、集電板８、絶縁板、及び端板９に形成されたボルト挿通孔（図示せず）に締結ボルト（図示せず）が挿通されてこれをナットで締結することによってセルスタック１０１が形成されている。この締結ボルトによる締結力は所定値に設定されている。このセルスタック１０１においては、各自己シールセパレータ１の各マニホールド孔２が繋がって、各マニホールドが形成されている。これにより、セルスタック１０１の外部から各反応ガスの供給側のマニホールドに各反応ガスがそれぞれ供給され、この供給された各反応ガスがセル１０２のガス流路３を通って、各反応ガスの排出側のマニホールドからセルスタック１０１の外部に排出される。そして、その過程で、各セル１０２の各電極に各反応ガスがそれぞれ供給され、そこで化学反応を生じて、電気及び熱が発生する。そして、この化学反応に寄与しなかった余剰の反応ガスが排出側のマニホールドに流出する。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施の形態の燃料電池では、自己シールセパレータ１の内面に隆起部収容部１１が形成され、この隆起部収容部１１にＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１が収容されているので、この隆起部５１に自己シールセパレータ１からの圧力が加わらない。従って、自己シールセパレータ１のセパレート部４１とＭＥＡ４のガス拡散層５とを十分均一に接触させることができる。その結果、燃料電池の電池性能を向上させ、かつ寿命を延ばすことができる。

［変形例］
隆起部収容部１１として上述の溝に代えて、貫通孔をセパレート部４１に形成してもよい。このような構成としても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図５は、本発明の第２実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図４に示すV-V線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図４及び図５において、図１及び図２と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図４及び図５に示すように、本実施形態では、第１実施形態の隆起部収容部１１を構成する溝に相当する溝（低部）１１ａとこの溝１１ａを埋めるように形成された弾性充填体１２とが隆起部収容部１１を構成している。弾性充填体１２の表面には、ＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１を丁度収容可能な形状、つまり隆起部５１の外面形状に対応する内面形状を有する凹部１２ａが形成されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。

詳しく説明すると、本実施形態の隆起部収容部１１は、例えば、自己シールセパレータ１のセパレート部４１の内面に溝１１ａを形成した後、該溝１１ａに弾性材料を充填して弾性充填体１２を形成し、かつその際に該弾性充填体１２の表面形状を、型などを用いて、ＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１の外面形状に略対応する形状に形成することにより、形成される。この場合、凹部１２ａは、その深さが、ガス拡散層５の隆起部５１の他の部分からの突出高さより若干小さくなるように形成することが好ましい。このようにすると、セル１０２において、弾性充填体１２に隆起部５１が当接し、該隆起部５１に押圧されて弾性充填体１２が弾性的に収縮し、それにより、その表面に、隆起部５１に丁度対応する形状の凹部１２ａが形成される。

弾性充填体１２は、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）などのゴム材料、樹脂材料や接着剤のような液状材料などで構成されるが、ガス拡散層５の隆起部５１により押圧されて窪む材料であれば特に限定されない。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施形態の燃料電池では、セル１０２が組み立てられた状態、すなわち、自己シールセパレータ１の内面とＭＥＡ４のガス拡散層５とが当接した状態で、隆起部収容部１１の弾性充填体１２の表面にガス拡散層５の隆起部５１が当接して、該弾性充填体１２の表面に、隆起部５１に丁度対応する形状の凹部１２ａが形成される。これにより、弾性充填体１２とガス拡散層５の隆起部５１とが隙間なく接触するので、反応ガスが通気性を有するガス拡散層５の隆起部５１から溝１１ａに漏れ出すのを防止することができる。

［変形例］
弾性充填体１２は、自己シールセパレータ１とＭＥＡ４のガス拡散層５とを当接させた後、溝１１ａに液状の弾性材料を流し込んで硬化させることによって形成してもよい。このような構成としても上述の構成と同様の効果を得ることができる。

また、弾性充填体１２を十分柔軟な材料で構成し、凹部１２ａを予め形成しないようにしてもよい。つまり、溝１１ａを完全に埋めかつその表面が平坦になるように弾性充填体１２を形成してもよい。この場合、セル１０２において、弾性充填体１２の平坦な表面に隆起部５１が当接し、それにより、その平坦な表面が窪んで、弾性充填体１２に隆起部５１に丁度対応する形状の凹部が形成され、該凹部に隆起部５１が収容される。このように、本発明の燃料電池の隆起部収容部１１は、セル１０２に組み立てた状態でガス拡散層５の隆起部５１を収容するものであればよい。このような構成としても上述の構成と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。図６において、図５と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態では、自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１は、第２実施形態の溝（低部）１１ａと、この溝１１ａの開口部に架け渡すように形成された弾性膜１３とによって構成されている。弾性膜１３は、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）などのゴム材料で構成されるが、ガス拡散層５の隆起部５１により押圧されて撓む材料であれば特に限定されない。これ以外の点は第２実施形態と同様である。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施形態では、自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１が、溝１１ａの開口部に弾性膜１３が架け渡すように形成されて構成されている。この弾性膜１３はフリーな状態では平板状であるが、セル１０２が組み立てられた状態、すなわち、自己シールセパレータ１の内面とＭＥＡ４のガス拡散層５とが当接した状態では、ガス拡散層５の隆起部５１が当接して、該弾性膜１３が該隆起部５１の外面に沿うように変形する。これにより、弾性膜１３の外面側に隆起部５１に丁度対応する形状の凹部１３ａが形成され、この凹部１３ａに該隆起部５１が収容される。これにより、弾性膜１３とガス拡散層５の隆起部５１とが隙間なく接触するので、反応ガスが通気性を有するガス拡散層５の隆起部５１から溝１１ａに漏れ出すのを防止することができる。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。図７において、図５と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態では、第２実施形態の溝１１ａに代えて、該溝１１ａと同じ平面形状を有し自己シールセパレータ１のセパレート部４１を厚み方向に貫通する貫通孔１４が形成され、該貫通孔１４を埋めるように弾性充填体１２が形成され、この貫通孔１４とこの弾性充填体１２とが隆起部収容部１１を構成している。弾性充填体１２の表面には、第２実施形態と同様の凹部１２ａが形成されている。これ以外の点は第２実施形態と同様である。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施形態の燃料電池では、セル１０２が組み立てられた状態で、隆起部収容部１１の弾性充填体１２の表面にガス拡散層５の隆起部５１が当接して、該弾性充填体１２の表面に、隆起部５１に丁度対応する形状の凹部１２ａが形成される。これにより、弾性充填体１２とガス拡散層５の隆起部５１とが隙間なく接触するので、反応ガスが通気性を有するガス拡散層５の隆起部５１から溝１１ａに漏れ出すのを防止することができる。

（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図９は、本発明の第５実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図８に示すIX-IX線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図８及び図９において図１及び図２と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図８及び図９に示すように、本実施形態では、自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１は、セパレート部４１の内面に形成された溝で構成され、この溝が第１実施形態におけるシール部４１の形成領域を含むように幅広く形成されている。そして、この溝（低部）内にシール部４０が形成されている。この溝のシール部４０が形成された領域を除く領域は、セパレート部４１の流路形成領域１０３がガス拡散層５の隆起部５１を除く領域に当接した状態で、隆起部５１を収容可能な幅及び深さを有するように形成されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果を説明する。

本実施形態の燃料電池では、隆起部収容部１１が、隆起部５１とシール部４０とを収容可能な幅を有するように形成されているので、シール部４０を隆起部収容部１１の外周側の内側面に沿って配設することができる。その結果、シール部４０とセパレート部４１との位置決めが簡単になるので、燃料電池の組立が容易になる。

（第６実施形態）
図１０は、本発明の第６実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図１１は、本発明の第６実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図１０に示すXI-XI線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図１０及び図１１において図1及び図２と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図１０及び図１１に示すように、本実施形態では、自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１は、セパレート部４１の内面に流路形成領域１０３を囲みかつ該流路形成領域１０３（正確には反応ガス流路３が形成されていない部分）より一段低くなるように形成された低位段部（低部）で構成されている。そして、この低位段部にシール部４０が形成されている。この低位段部の流路形成領域１０３との段差は、第１実施形態における隆起部収容部１１の溝の深さと同様にして決定される。また、この低位段部のシール部４０より内側の領域は、セパレート部４１の流路形成領域１０３がガス拡散層５の隆起部５１を除く領域に当接した状態で、隆起部５１を収容可能な幅を有するように形成されている。これ以外の点は第１実施形態と同様である。

以上のような構成としても、第１実施形態の燃料電池と同様の効果を奏する。

（第７実施形態）
図１２は、本発明の第７実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図１３は、本発明の第７実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図１２に示すXIII-XIII線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図１２及び図１３において図８及び図９と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態は、第５実施形態を変形したものであり、本実施形態では、第５実施形態における溝（低部）１１ａの全領域に渡ってシール部４０が形成されている。本実施形態におけるシール部４０は、第５実施形態におけるシール部４０に相当する凸部（セル１０２が組み立てられた状態においてＭＥＡ４の高分子電解質膜７に当接する部分）４０ａと、溝１１ａの凸部４０ａが形成されていない領域の底面に膜状に形成された弾性膜部４０ｂとで構成されている。弾性膜部４０ｂは、凸部４０ａと同じ弾性材料で構成されかつ該凸部４０ａと一体的に形成されている。この弾性膜部４０ｂは所定の厚みを有するように形成されている。この所定の厚みは、例えば、セル１０２の組み立て時にＭＥＡ４のガス拡散層５の隆起部５１がその表面に当接したとき、該隆起部５１を収容するように該弾性膜部４０ｂが十分窪むことが可能な厚みに決定される。この所定の厚みは実験などによって決定される。また、本実施形態における溝１１ａは、第５実施形態における溝１１ａに比べて、弾性膜部４０ｂの厚みの分だけ深く形成される。そして、本実施形態における隆起部収容部１１は、溝１１ａと弾性膜部４０ｂとから構成される。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施形態の燃料電池では、自己シールセパレータ１の隆起部収容部１１において、溝１１ａ内に凸部４０ａと弾性膜部４０ｂとからなるシール部４０が形成され、弾性膜部４０ｂが、溝１１ａ内の凸部４０ａが形成されていない領域の底面に延在し、その弾性膜部４０ｂにガス拡散層５の隆起部５１が当接するので、隆起部５１から反応ガスが漏れ出すのを低減することができる。

（第８実施形態）
図１４は、本発明の第８実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。図１５は、本発明の第８実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図１４に示すXV-XV線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。図１４及び図１５において図４及び図５と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態は、第２実施形態を変形したものである。第２実施形態では、自己シールセパレータ１は、セルスタック１０１において隣接するＭＥＡ４同士を離隔する役割を果たす板状の部分（通常のセパレータに相当する部分、以下、板部という）と、この板部の内面から突出してＭＥＡ４の周縁部に当接し、それによって反応ガスの漏えいを防止する役割を果たす凸状の部分（以下、凸部という）とで構成されている。そして、全ての板部がセパレート部４１で構成され、凸部のみがシール部４０で構成されている。これに対し、本実施形態では、図１４及び図１５に示すように、自己シールセパレータ１は、この板部のうち、流路形成領域１０３を有する部分（第１の部分）のみが実質的にセパレート部４１で構成され、残りの部分（第２の部分）、すなわち、流路形成領域１０３を有する部分を囲む板部の周縁部分（以下、板周縁部という）がシール部４０で構成されている。従って、本実施形態では、シール部４０は、この板周縁部４０ｃとこの板周縁部４０ｃの内面から突出するように形成された凸部４０ａとで構成され、これらが一体的に形成されている。また、板周縁部４０ｃにマニホールド孔２と、ガス流路３の、マニホールド孔２とガス流路３の流路形成領域１０３に形成された部分とを結ぶ部分３ａと、が形成されている。そして、板周縁部４０ｃの内面に、第２実施形態の弾性充填体１２の凹部１２ａと同様の位置及び形状を有するように凹部４０ｄが形成され、この凹部４０ｄにガス拡散層５の隆起部５１が収容されている。従って、本実施形態では、シール部４０（より詳細には、板周縁部４０ｃ）が隆起部収容部１１を構成している。シール部４０とセパレート部４１とは、例えば、二色成形加工により一体として形成される。これ以外の点は第２実施形態と同様である。

次に、以上のように構成された燃料電池の作用効果について説明する。

本実施形態の燃料電池では、セル１０２が組み立てられた状態、すなわち、自己シールセパレータ１の内面とＭＥＡ４のガス拡散層５とが当接した状態で、板周縁部４０ｃの凹部４０ｄの内面がガス拡散層５の隆起部５１に押圧されて若干窪み、それにより凹部４０ｄが隆起部５１に丁度対応する形状を有するものとなる。これにより、板周縁部４０ｃとガス拡散層５の隆起部５１とが隙間なく接触するので、反応ガスが通気性を有するガス拡散層５の隆起部５１から溝１１ａに漏れ出すのを防止することができる。また、互いに異なる材料で構成されるセパレート部４１とシール部４０とを有する自己シールセパレータ１を、例えば二色成形で簡単に一体的に作成することができるので燃料電池に用いられる部品の加工の手間を省くことができ、燃料電池の生産性を向上させることができる。

［変形例］
本実施の形態においても第２実施形態の変形例と同様の変形例を構成することができる。具体的には、シール部４０を十分柔軟な材料で構成し、凹部４０ｄを予め形成しないようにしてもよい。つまり、シール部４０の板周縁部４０ｃを、凸部４０ａが形成された部分を除いて、平坦な表面を有するように形成してもよい。この場合、セル１０２において、板周縁部４０ｃの平坦な表面に隆起部５１が当接し、それにより、その平坦な表面が窪んで、板周縁部４０ｃに隆起部５１に丁度対応する形状の凹部４０ｄが形成され、該凹部４０ｄに隆起部５１が収容される。このような構成としても上述の構成と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態において、ガス拡散層５の外面の周縁部に形成される隆起部５１は、ガス拡散層５の切断時において形成される場合だけでなく、切断時においては隆起部のないガス拡散層５を有するＭＥＡ４がセルスタック１０１に組み立てられる際に、その圧力によって形成される場合も含む。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の燃料電池は、セパレータとガス拡散層とが十分均一に接触した燃料電池として有用である。

図１は本発明の第１実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図２は本発明の第１実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図であって、セパレータを図１に示すII-II線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。 図３は本発明の第１実施形態の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 図４は本発明の第２実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図５は本発明の第２実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図であって、セパレータを図４に示すV-V線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。 図６は本発明の第３実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。 図７は本発明の第４実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。 図８は本発明の第５実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図９は本発明の第５実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図であって、セパレータを図８に示すIX-IX線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。 図１０は本発明の第６実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図１１は本発明の第６実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図であって、セパレータを図１０に示すXI-XI線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である 図１２は本発明の第７実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図１３は本発明の第７実施形態の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図であって、セパレータを図１２に示すXIII-XIII線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。 図１４は本発明の第８実施形態の燃料電池に用いるセパレータの構成を示す平面図である。 図１５は本発明の第８実施形態の燃料電池に用いるセルの構成を示す部分断面図であって、セパレータを図１４に示すXV-XV線に沿って切断するようにして当該セルを切断した場合における断面図である。 図１６は従来の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。 図１７は従来の燃料電池に用いるセルを示す部分断面図である。 図１８は従来の燃料電池内における反応ガスの流れを示す模式図である。

符号の説明

１ 自己シールセパレータ
２ マニホールド孔
２ａ 反応ガス供給マニホールド孔
２ｂ 反応ガス排出マニホールド孔
３ ガス流路
４ ＭＥＡ
５ ガス拡散層
６ 触媒層
７ 高分子電解質膜
８ 集電板
９ 端板
１０ 保護膜
１１ 隆起部収容部（低部、溝、低位段部）
１１ａ 溝
１２ 弾性充填体
１２ａ 凹部
１３ 弾性膜
１３ａ 凹部
１４ 貫通孔
４０ シール部（ガスケット）
４０ａ 凸部
４０ｂ 弾性膜部
４０ｃ 板周縁部
４０ｄ 凹部
４１ セパレート部（セパレータ）
５１ 隆起部
１０１ セルスタック
１０２ セル
１０３ 流路形成領域
Ａ ガスが不足する領域
Ｂ 通り抜けた反応ガス

Claims (4)

1. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除いて該高分子電解質膜を挟むように設けられた一対のガス拡散層とを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設され、全体として板状に形成され、導電性を有するセパレート部及び該セパレート部に比べて弾性的なシール部を有し、少なくとも前記セパレート部が前記ガス拡散層に当接し、かつ前記シール部が前記ガス拡散層を囲むようにして前記高分子電解質膜の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータと、を有するセルを有し、１以上の前記セルが積層されてなる燃料電池において、
   前記自己シールセパレータに前記ガス拡散層の外面の周縁部に形成された隆起部を収容する低部が形成され、該低部に前記シール部が配設されている、燃料電池。
2. 前記低部が前記自己シールセパレータの内面に形成され前記隆起部を収容する溝であり、かつ該溝に前記シール部が配設されている、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記低部が前記自己シールセパレータの内面に前記隆起部を収容可能なように他の部分より低く形成された段部であり、かつ該段部に前記シール部が配設されている、請求項１記載の燃料電池。
4. 前記低部が前記自己シールセパレータの内面に形成された溝であり、該溝に前記シール部が配設され、該シール部が前記ＭＥＡの高分子電解質膜の周縁部に当接する凸部と該溝の該凸部が形成されていない領域の底面に膜状に形成され弾性変形して前記隆起部を収容する弾性膜部とを有している、請求項１記載の燃料電池。

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