WO2006121041A1

WO2006121041A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2006121041A1
Application number: PCT/JP2006/309318
Authority: WO
Inventors: Soichi Shibata; Hiroki Kusakabe; Kazuhito Hatoh
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2006-11-16
Also published as: US8404401B2; CN101176229A; US20090053573A1; CN100530795C; JPWO2006121041A1; JP4995573B2

Abstract

　本発明の燃料電池は、高分子電解質膜(7)と該高分子電解質膜(7)の周縁部を除いて該高分子電解質膜(7)を挟むように設けられた一対のガス拡散層(5)とを有するＭＥＡ(4)と、該ＭＥＡ(4)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(41)及び該セパレート部(41)に比べて弾性的なシール部(40)を有し、少なくとも前記セパレート部(41)が前記ガス拡散層(5)に当接し、かつ前記シール部(40)が前記ガス拡散層(5)を囲むようにして前記高分子電解質膜(7)の周縁部に当接する一対の自己シールセパレータ(1)と、を有するセル(102)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(1)に前記ガス拡散層(5)の外面の周縁部に形成された隆起部(51)を収容する低部(11)が形成され、該低部(11)に前記シール部(40)が配設されている。

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 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。背景技術

[0002] 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力ソードが形成されており、アノード及び力ソードにそれぞれ、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力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)を通じて力ソードに到達する。一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過して力ソードに到達する。そして、力ソードにおいて、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。

[0003] 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ィ匕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、 ME A4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〖こ、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力セパレータ 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)。

[0004] 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。

[0005] 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!、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。

[0006] 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-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-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。

[0007] また、一般的な固体高分子電解質膜 7は、湿潤状態で高!ヽィ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つた o

特許文献 1：特許文献 1：特開平 5— 242897号公報

特許文献 2：特許文献 2：特開 2004— 47230号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、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力つた。

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。

課題を解決するための手段

[0009] 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力例えば、実際にカーボンクロス (東レ株式会社製: C06645B )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 lmm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。

[0010] そして、上記のような周縁部の厚くなつ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 ME A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弹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ヽる。

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、てもよ、。

[0011] 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。

[0012] 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、てもよ、。

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弹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弹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弹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。

[0013] 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。

発明の効果

[0014] 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、自己シールセパレ一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。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]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]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つて、セパレータを図 1に示す Π-Π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]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]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]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つて、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。

圆 6]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。

圆 7]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。

圆 8]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。

圆 9]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つて、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。

圆 10]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。

圆 11]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

圆 12]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。

圆 13]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 ΧΠΙ-ΧΠΙ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。

圆 14]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。

圆 15]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]図 16は従来の燃料電池に用、るセルを示す部分断面図である。

[図 17]図 17は従来の燃料電池に用、るセルを示す部分断面図である。

[図 18]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 自己シーノレセパレータ

2 マ二ホールド孔

2a 反応ガス供給マ二ホールド孔

2b 反応ガス排出マ-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¾衩

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 シーノレ部（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 セノレスタック 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

発明を実施するための最良の形態

[0017] 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。

[0018] (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 Π-Π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。

[0019] 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、グラッシ一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、熱可塑性榭脂（ポリエチレン、ポリビュルアルコールなど)又は熱硬化性榭脂（フエノール榭脂、エポキシ榭脂など)をバインダーとして添加したものを、当該榭脂 (熱可塑性榭脂又は熱硬化性榭脂）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）をプレスカ卩ェ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-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-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 5 1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!ヽる。

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ヽる。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-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、る（ガス流路 3上には隆起部収容部 11が形成されて!、な、)。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。

[0021] 溝の深さ = (t -t X β ) Χ α

ここで、図 2に示すように、 t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、 j8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）、 a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。

[0022] そして、この隆起部収容部 11と二対のマ-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-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 -ルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルォロカーボン、熱可塑 '性エラストマ一（ポリスチレン系エラストマ一、ポリオレフイン系エラストマ一、ポリエステル系エラストマ一、ポリアミド系エラストマ一など）、ラテックス (イソプレンゴム、ブタジェンゴムなど）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、アクリロニトリル一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ぐ 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。

[0023] 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。

[0024] 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、ノークロロシクロデカン、クロレンド酸、フォスフエ一トエステル、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、ポリジブロモフエ-レンオキサイド、ポリテトラブロモスチレン、へキサブ口モシクロドデカン、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-ゥムなどを好ましく挙げることができる。

[0025] 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、ジォクチルアジペート、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、ビフエ-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-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-ホールド孔ではなぐ一方の対の各マ-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。

[0026] 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!ヽる。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。

[0027] 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 1 02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揷通孔（図示せず）に締結ボルト（図示せず）が揷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!、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-ホ一ルド孔 2が繋がって、各マ-ホールドが形成されている。これにより、セルスタック 1 01の外部力も各反応ガスの供給側のマ-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-ホールド力もセルスタック 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、そこでィ匕学反応を生じて、電気及び熱が発生する。そして、この化学反応に寄与しな力つた余剰の反応ガスが排出側のマ-ホールドに流出する。

[0028] 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 1 1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。従つて、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） 1 laとこの溝 1 la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。

[0029] 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が弹性的に収縮し、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。

[0030] 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、榭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。

[0031] 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、自己シ一ルセパレータ 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。

[0032] 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弹性充填体 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。

[0033] (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。

[0034] 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、ェチレンプロピレンゴム（EPDM)などのゴム材料で構成される力ガス拡散層 5の隆起部 51により押圧されて橈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力セル 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 1 2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 1 1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、弹性充填体 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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ヽるので、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。

[0039] (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、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、な、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。

[0040] 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。

[0041] (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 ΧΠΙ-ΧΠΙ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 4 0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ヽる。この弹性膜部 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。

[0042] 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、この板部の内面力突出して MEA4の周縁部に当接し、それによつ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の内面カゝら突出するように形成された凸部 40aとで構成され、これらがー体的に形成されている。また、板周縁部 40cにマ-ホールド孔 2と、ガス流路 3の、マ-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。

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、自己シ一ルセパレータ 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 4 Oc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。

[0044] なお、上記実施形態にお!ヽて、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ぐ切断時においては隆起部のな、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。

[0045] 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ぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

[0046] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部を除!ヽ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弹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ぉ、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、る、請求項 1記載の燃料電池。