WO2009144871A1 - 燃料電池 - Google Patents

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fuel
frame
fuel cell
electrode
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徳彦 川畑
日下部　弘樹
松本　敏宏
永井　宏幸
善輝 長尾
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane.
  • a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane is a battery that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is.
  • the basic constituent member includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions; and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane.
  • the electrode is often composed of a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst; and a gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer and having both air permeability and electronic conductivity.
  • a gas seal material or gasket is disposed around the electrode with a polymer electrolyte in between.
  • the sealing material and gasket are assembled in advance by being integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This assembly is referred to as MEA (electrolyte membrane electrode assembly).
  • conductive separators are disposed for mechanically fixing the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series.
  • a surface that contacts the MEA is provided with a flow path for supplying reaction gas to the electrode surface and carrying away water and surplus gas generated by the reaction.
  • the flow path may be provided in a member separate from the separator, but in general, a groove is provided on the surface of the separator to form the flow path.
  • a cooling unit for flowing cooling water is provided for every one to three cells.
  • a cooling unit for flowing cooling water is provided for every one to three cells.
  • a stack obtained by stacking 10 to 200 fuel cells (each fuel cell includes an MEA, a pair of separators, and a cooling unit if necessary), a current collector plate and an insulating plate Then, the fuel cell is sandwiched between end plates and fastened with fastening bolts to obtain a fuel cell having a general laminated structure.
  • Solid polymer fuel cell separators must have high conductivity, high gas-tightness against fuel gas, and high corrosion resistance against reactions when redoxing hydrogen and oxygen It is said. For these reasons, a normal separator is made of a carbon material such as glassy carbon or expanded graphite, and a reaction gas flow path is formed by cutting the carbon material or molding it with a mold.
  • metal separators such as stainless steel have been developed in place of carbon material separators.
  • Metal separators have grooves and ribs alternately formed on the surface thereof by press molding.
  • the depth is shallower than the concave depth and lower than the convex height.
  • a metal separator 120 having a pair of provided header portions 122a and 122b has been proposed (see Patent Document 1).
  • a sealing material (not shown) for making the header portions 122a and 122b into a sealed space is disposed, and the oxidant gas and the fuel gas are allowed to flow through the corrugated flow path without leaking.
  • the other groove for preventing the gas leakage is to seal the groove on the back of the gas channel 101 of the metal separator 100 with a sealing material 102.
  • a sealing material 102 has been proposed (see Patent Document 2).
  • the leak at the channel end of the gas channel is suppressed and mixing of the reaction gas is prevented.
  • sealing material or a rubber sheet is tightly sealed inside the groove forming the flow path.
  • the sealing state by the sealing material 102 (FIG. 7) or the rubber sheet 112 (FIG. 8) also changes according to the driving state of the fuel cell.
  • the sealing property must be maintained even when the pressure difference between the sealed channel and another channel or outside air is maximum. Normally, even when a pressure difference of 150 kPa is generated, the amount of gas leakage is required to be 20 SCCM or less.
  • the MEA seal member is extended (see 122 in FIG. 9), and the extended seal portion is fitted into the separator flow path, so that the reactant gas leaks at the end of the flow path of the metal manifold.
  • a device to prevent this has been proposed (see Patent Document 4).
  • This extension seal part becomes a boundary of the flow path group, and regulates the flow of fluid appropriately.
  • this extended seal portion electrically insulates the separator and the electrode. For this reason, the contact portion between the extended seal and the electrode does not contribute to current passage, and as a whole, the contact resistance increases and the output voltage decreases. As a result, there arises a problem that the power generation efficiency of the fuel cell system as a whole decreases.
  • the extended seal is not properly fitted into the flow path, that is, the positional deviation may occur.
  • the present invention provides a fuel cell using a metal separator, which has a simple structure and does not require an excessive fastening force, and which can more reliably suppress the leakage of reaction gas. With the goal.
  • the present invention relates to a fuel cell including the fuel unit cell shown below or a laminate thereof.
  • a polymer electrolyte membrane and a frame body that holds a fuel electrode and an oxidation electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane inside the frame; a flow path that is stacked on the fuel electrode and that supplies and discharges fuel gas
  • a polymer electrolyte fuel cell comprising: an anode separator having; and a cathode separator having a flow path for supplying and discharging an oxidant gas, laminated on the oxidation electrode, The central portion of the anode separator and the cathode separator is opposed to the fuel electrode and the oxidation electrode, and grooves and ribs are alternately formed on the front and back, and has a corrugated cross section with a constant thickness, and a straight flow path.
  • An outer peripheral portion of the anode separator and the cathode separator has a flat plate structure having a manifold hole; On both sides of the frame, A recess for turning back the flow path formed by the anode separator or the cathode separator is formed, A sealing material is disposed along the periphery of the fuel electrode or the oxidation electrode, and is in contact with the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or the cathode separator, and regulates the flow of the fuel gas or the oxidant gas.
  • the contact surfaces of the sealing material disposed along the periphery of the fuel electrode or the oxidation electrode and the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or the cathode separator are respectively separated from the frame body to the anode separator or the cathode separator.
  • a polymer electrolyte fuel cell that is inclined with respect to the stacking direction.
  • a polymer electrolyte fuel cell configured by laminating a plurality of fuel cells according to [1], A spacer frame laminated between the fuel cells, further comprising a frame for flowing cooling water into a separator flow path between the fuel cells; On both surfaces of the spacer frame, a seal material is formed that contacts the ribs at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or cathode separator, and regulates the flow of cooling water, The contact surface between the sealing material formed on the spacer frame and the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or cathode separator is in the stacking direction from the spacer frame to the anode separator or cathode separator, respectively.
  • a polymer electrolyte fuel cell that is inclined with respect to the fuel cell.
  • a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of the fuel unit cells according to [1], A spacer frame laminated between the fuel cells, further comprising a frame that does not allow cooling water to flow in the separator flow path between the fuel cells, On both surfaces of the spacer frame, a sealing material is formed in contact with the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or cathode separator, The contact surface between the sealing material formed on the spacer frame and the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or cathode separator is in the stacking direction from the spacer frame to the anode separator or cathode separator, respectively.
  • a polymer electrolyte fuel cell that is inclined with respect to the fuel cell.
  • a polymer electrolyte membrane and a frame body that holds the fuel electrode and the oxidation electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane inside the frame; a flow path that is stacked on the fuel electrode and that supplies and discharges fuel gas
  • a polymer electrolyte fuel cell comprising: an anode separator having; and a cathode separator having a flow path for supplying and discharging an oxidant gas, laminated on the oxidation electrode, The central portion of the anode separator and the cathode separator is opposed to the fuel electrode and the oxidation electrode, and grooves and ribs are alternately formed on the front and back, and has a corrugated cross section with a constant thickness, and a serpentine-shaped flow path.
  • An outer peripheral portion of the anode separator and the cathode separator has a flat plate structure having a manifold hole;
  • the both sides of the frame body are arranged along the periphery of the fuel electrode or the oxidation electrode, and are in contact with the ribs at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the anode separator or the cathode separator, and the fuel gas or the oxidant gas Sealing material that regulates the flow is arranged,
  • a polymer electrolyte fuel cell that is inclined with respect to the stacking direction.
  • the polymer electrolyte fuel cell of the present invention even when a metal separator is used, if the laminate is fastened with a normal force, even if a large pressure difference (for example, 150 kPa) occurs, the amount of gas leakage is reduced. It can be maintained at 20 SCCM or less, and gas mixing can be suppressed. Further, positioning is easy when the MEA and the separator are stacked, and misalignment is less likely to occur.
  • a large pressure difference for example, 150 kPa
  • FIG. 3 is a bird's-eye view of an MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame of the fuel unit cell of Embodiment 1, and shows the state of the fuel unit cell before stacking. It is sectional drawing of the laminated body which laminated
  • FIG. 5 is a bird's-eye view of an MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame of the fuel cell of Embodiment 2, showing the state of the fuel cell before stacking.
  • FIG. 5 is a bird's-eye view of an MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame of the fuel cell of Embodiment 2, showing the state of the fuel cell before stacking.
  • FIG. 7 is a bird's-eye view of an MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame of the fuel cell of Embodiment 3, showing the state of the fuel cell before stacking.
  • FIG. 7 is a bird's-eye view of an MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame of the fuel cell of Embodiment 4, showing the state of the fuel cell before stacking.
  • FIG. 4B shows contact surfaces of the anode separator and the spacer frame of FIG. 4A. 4B shows the contact surfaces of the MEA holding frame and the anode separator of FIG. 4A with each other.
  • FIG. 4B shows the contact surfaces of the cathode separator and the spacer frame of FIG. 4A with each other. It is sectional drawing of the fuel cell of FIG. It is sectional drawing of the fuel cell of FIG. 5A is a cross section of the spacer frame A in FIG. 1; FIG. 5B is a cross section of the separator B in FIG. 1, FIG. 5C is a cross section of the separator C in FIG. It is a figure which shows the cross section of D of the MEA holding frame in. The state in which each member contained in it inclines with respect to the lamination direction is shown. It is a figure which shows the conventional metal separator. It is a figure which shows the conventional metal separator. It is a figure which shows the conventional metal separator. It is a figure which shows the conventional metal separator. It is a figure which shows the conventional metal separator.
  • the fuel unit cell of the present invention includes: 1) a frame body that holds a polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidation electrode that sandwich the polymer electrolyte membrane within the frame; 2) laminated on the fuel electrode An anode separator having a flow path for supplying and discharging a fuel gas, and 3) a cathode separator having a flow path for supplying and discharging an oxidant gas stacked on the oxidation electrode, It is called “fuel cell”.
  • the anode separator and cathode separator of the fuel cell of the present invention are preferably metal separators (also referred to as “metal separators”).
  • the cross section of the metal separator has a corrugated shape, and grooves and ribs are alternately formed on the surface of the separator.
  • the thickness of the metal separator is substantially constant, and the thickness of the corrugated cross section is also substantially constant. That is, grooves and ribs are alternately formed on the first surface of the metal separator; ribs and grooves are respectively formed on the back surface of the first surface at locations corresponding to the grooves and ribs.
  • the metal separator can be produced by pressing a metal plate into a corrugated shape. Of the grooves and ribs formed in the separator, fluid (fuel gas or oxidizing gas, or cooling water) flows through the grooves. That is, the groove becomes a separator flow path.
  • a flow path is formed in the central part of the anode separator and the cathode separator, that is, grooves and ribs are formed; the outer peripheral part is flat and has manifold holes, but no flow path is formed.
  • the manifold hole is a hole constituting the manifold of the fuel cell, and is a hole through which fuel gas, oxidant gas or refrigerant (for example, cooling water) flows.
  • the central part of the separator in which the flow path is formed is opposed to the electrode (fuel electrode or oxidation electrode) of the MEA held in the frame body described later, and has the same shape and the same area as the electrode surface. It is preferable.
  • the flow path formed in the central portion of the separator may be linear (see FIG. 1A and the like) or serpentine (see FIG. 4A and the like).
  • a recess for turning the flow path needs to be formed in a frame body (described later) that holds the MEA (15 in FIG. 1A). See).
  • the flow path formed in the central portion of the separator is serpentine-like, the flow path itself is folded back, so that a member (recessed portion) for folding the flow path to a frame body (described later) holding the MEA ) Is not necessary (see FIG. 4A). If the flow path is serpentine-like, it is possible to more reliably prevent gas leakage from outside the manifold hole to the flow path other than the connection port.
  • the anode separator is stacked on the fuel electrode.
  • a fuel gas flows through the flow path on the surface of the anode separator in contact with the fuel electrode.
  • the cathode separator is laminated on the oxidation electrode. An oxidant gas is caused to flow through the flow path on the surface in contact with the oxidation electrode of the cathode separator.
  • At least the ribs formed in the central part of the separator are preferably not protruding perpendicular to the separator surface but projecting in an inclined manner (FIG. 1 and FIG. 5B, see FIG. 5C).
  • FIG. 1A “the end face in the longitudinal direction of the rib (see FIG. 5C)” and “the side surface of the rib (see FIG. 5B)” protrude from the separator surface in an inclined manner.
  • at least the “end surface in the longitudinal direction of the rib” protrudes in an inclined manner. This is because gas leakage from the end of the flow path is suppressed without fastening with excessive force.
  • the “side surface of the rib” is also inclined. This is because positioning when the separator is laminated on the MEA becomes easier.
  • the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator is a sealing material (14 in FIGS. 1A and 1B) arranged around the electrode (oxidation electrode or fuel electrode) of a frame (described later) that holds the MEA. Or (see FIG. 5D).
  • the sealing material disposed along the periphery of the MEA electrode is also inclined, and the inclination angle thereof corresponds to the inclination angle of the rib.
  • the outer peripheral part (the area surrounding the central part) of the separator is flat and has a manifold hole. It is preferable that at least a fuel gas manifold hole and a cooling water manifold hole are formed in the outer peripheral portion of the anode separator; however, with or without an oxidant gas manifold hole (see FIG. 1A, etc.) (See FIG. 3) Good. In addition, it is preferable that at least an oxidant gas manifold hole and a cooling water manifold hole are formed in the outer peripheral portion of the cathode separator, but there is a fuel gas manifold hole (see FIG. 1A and the like). (See FIG. 3). As shown in FIG. 3, by omitting the manifold holes, it is possible to reduce the volume of the metal member having a larger specific gravity than the frame body or the MEA, and to reduce the weight of the fuel cell.
  • the frame holding the MEA holds the polymer electrolyte membrane, the fuel electrode and the oxidation electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane inside the frame, inside the frame.
  • the polymer electrolyte membrane, the fuel electrode and the oxidation electrode are preferably laminated and integrated to form an MEA, and a frame body is preferably arranged on the outer periphery of the MEA to hold the MEA. .
  • the inside of the frame body holding the MEA has the same shape and area as the central portion of the separator described above. That is, the electrodes (the fuel electrode and the oxidation electrode) exposed inside the frame are opposed to the central portion of the separator (the region where the flow path is formed).
  • a sealing material is disposed on the inner periphery of the frame. That is, the sealing material is disposed along the outer periphery of the fuel electrode or the oxidation electrode held inside the frame. Therefore, the sealing material arranged on the inner periphery of the frame abuts on the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator.
  • At least a part of the sealing material disposed on the inner periphery of the frame (that is, the sealing material disposed along the periphery of the electrode) is inclined.
  • the sealing material that contacts the rib is also inclined in accordance with the inclination of the rib.
  • the sealing material in contact with the “longitudinal end face” only needs to be inclined. If the “side surface” is inclined, the sealing material in contact with the “side surface of the rib” may be inclined.
  • a “recess for turning the flow path” is formed in the frame holding the MEA (see 15 in FIG. 1A).
  • the “recess for turning the flow path” is formed in a part of the frame corresponding to the flow path end of the linear flow path of the separator.
  • the recess for turning back the flow path regulates the flow of fluid so that the fluid (reactive gas or cooling water) flowing through the flow path reaches the entire electrode surface in order.
  • the “recess for turning the flow path” may be divided into a plurality of regions. In the portion corresponding to the flow path end of the flow path of the frame (see reference numeral 10) that holds the MEA shown in FIG. 1A, three recesses for turning the flow path are formed. Therefore, the fluid supplied from the supply manifold to the flow path reciprocates 3.5 and is discharged from the discharge manifold.
  • the frame body that holds the MEA may be formed with a sealing material that seals the flow path from the outside or another flow path, as well as a sealing material that is disposed on the inner periphery of the frame (see reference numeral 13 in FIG. 1A). ). It is preferable that these sealing materials and the frame are integrally formed of the same material. By integrally molding, the deformation amount of the sealing material is reduced and the compression set can be reduced, so that the durability of the sealing material is improved.
  • the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator of the fuel cell of the present invention is in contact with the sealing material disposed on the inner periphery of the frame body that holds the MEA.
  • the fuel unit cell of the present invention is characterized in that the contact surface is not parallel to the stacking direction of the fuel unit cells but is inclined. More specifically, the normal line of the contact surface is directed to the separator in contact with the inner surface of the frame.
  • the end surface in the longitudinal direction of the rib of the separator and the contact surface between the seal member of the frame body are inclined with respect to the stacking direction from the frame body to the separator.
  • the degree of inclination is not strictly defined, but is preferably 30 to 45 ° with respect to the stacking direction.
  • the contact surface is inclined with respect to the stacking direction of the fuel cells, the following effects can be obtained.
  • the sealing material disposed on the inner periphery of the frame can more reliably seal the separator flow path. This is because by making the contact surface oblique, the fastening force is easily transmitted uniformly to the sealing material of the frame body and the rib of the separator over the entire contact surface of both. In particular, when the end surface of the rib in the longitudinal direction and the contact surface with the sealing material are inclined, the fluid is more reliably sealed.
  • Misalignment in stacking the frame body holding the MEA and the separator is less likely to occur. This is because if they are laminated along the inclination, they can be easily arranged at appropriate positions.
  • a fuel cell can be produced by laminating two or more fuel cell units of the present invention.
  • a “spacer frame” may be disposed between the fuel cells.
  • the spacer frame has cooling water manifold holes, and may be a frame for flowing cooling water from the cooling water manifold to the separator flow path between the cells (see FIG. 1A). 2) It may be a frame that does not allow cooling water to flow through the flow path between the cells (see FIG. 2).
  • the spacer frame for flowing the cooling water has a communication path for guiding the cooling water from the cooling water manifold to the separator flow path formed on the surface not in contact with the electrode surface.
  • the spacer frame that does not flow cooling water through the flow path does not have a communication path between the cooling water manifold and the flow path.
  • a seal material is disposed on the inner periphery of the frame, and the seal material is in contact with a rib at the boundary between the central portion and the outer periphery of the separator. It is preferable that the sealing material and the frame body are the same material and are integrally formed.
  • the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator (at least the end surface in the longitudinal direction of the linear rib) is not perpendicular to the plane of the separator but protrudes in an inclined manner. Therefore, it is preferable that the sealing material disposed on the inner periphery of the spacer frame is also inclined in accordance with the rib at the boundary between the central portion and the outer periphery of the separator. More specifically, the contact surface between the seal material of the spacer frame and the rib at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator is inclined with respect to the stacking direction; It is preferable that it is suitable for the separator which is, and it is suitable for the inner side of the spacer frame.
  • the inclination angle with respect to the stacking direction is preferably about 30 ° to 45 °.
  • the anode separator is laminated on one side of the spacer frame, and the cathode separator is laminated on the other side. Therefore, it is preferable that the sealing material disposed on the inner periphery of the spacer frame is V-shaped (see FIG. 1A, FIG. 5A, etc.). By making the sealing material V-shaped, the contact surfaces with the ribs of both the anode separator and the cathode separator can be inclined.
  • the spacer frame disposed between the single cells may be a frame for allowing cooling water to flow through the separator flow path between the single cells, or may be a frame that does not flow. May be.
  • a spacer frame for flowing cooling water may be disposed for each single fuel cell, or may be disposed for every two or more fuel cells.
  • the spacer frame for flowing cooling water through the separator channel When the flow path formed in the central part of the separator is linear, the spacer frame for flowing the cooling water into the separator flow path between the single cells has a dent for returning the cooling water flowing through the flow path. (See reference numeral 41 in FIG. 1A). It is preferable to restrict the flow of the dent for turning back the cooling water so that the cooling water spreads over the entire surface in order. Therefore, as shown in FIG. 1A, the spacer frame is formed with a plurality of dents for folding.
  • spacer frame seal material (see reference numerals 42-1 and 42-2 in FIG. 1A) and the ribs of the separator are in contact with each other at an angle, so that there is no positional deviation in the stacking of the spacer frame and the separator. It becomes difficult to occur.
  • the spacer frame that does not flow the cooling water into the separator flow path between the single cells is a rib (the end face in the longitudinal direction of the rib, It is preferable to have a sealing material in contact with the rib side surface). And if the contact surface of the sealing material of a spacer frame and the rib of a boundary inclines with respect to the lamination direction, a sealing effect will improve and positioning will become easy.
  • FIG. 1A 1) a linear flow path is formed in the central portion of each separator, a folded portion of the flow path is formed in a frame that holds the MEA, and 2) it is disposed between the fuel cells.
  • the state before stacking of a fuel cell in which a spacer frame for flowing cooling water is arranged in the separator channel is shown.
  • FIG. 1A shows bird's-eye views of a frame body (MEA holding frame body) 10 that holds the MEA, an anode separator 20, a cathode separator 30, and a spacer frame body 40.
  • 5A is a cross section of A of the spacer frame 40
  • FIG. 5B is a cross section of B of the separators 20 and 30
  • FIG. 5C is a cross section of C of the separators 20 and 30
  • FIG. 5D is a cross section of D of the MEA holding frame 10. A cross section is shown.
  • the MEA holding frame 10 can be produced by insert molding a polypropylene frame (length 220 mm ⁇ width 220 mm) around the MEA 11 (for example, length 150 mm ⁇ width 150 mm).
  • a plurality of recesses 15 are formed in the frame of the MEA holding frame 10.
  • the recess 15 serves as a region for turning back the reaction gas flowing through the flow path of the separator.
  • the recess 15 is provided on both surfaces (the anode side and the cathode side) of the frame body 10 (the cathode side is not shown).
  • the MEA holding frame 10 is disposed on the inner periphery of the frame (that is, disposed along the outer periphery of the MEA 11 held on the frame 10) (14-1, 14-2, 14-3). Including). Furthermore, it has the sealing material 13 which prevents the leak of the gas to the exterior.
  • Each sealing material can be formed by molding two colors of fluoro rubber.
  • the seal material 13 surrounds each of the manifold holes 16 to 18 (fuel gas manifold hole 16, cooling water manifold hole 17, oxidant gas manifold hole 18) and MEA 11 so that gas does not leak to the outside.
  • the sealing material 13 and the sealing material 14 are provided on both surfaces (the anode side and the cathode side) of the frame body 10 (the anode side is not shown).
  • the thickness (height from the MEA) of a part (14-1 and 14-3) of the sealing material 14 is the same as the height of the flow path (rib height) formed in the separators 20 and 30.
  • another part of the sealing material 14 that is, the sealing material 14-2 formed in the recess 15 of the frame 10, and the communication path 16-1 with the fuel gas manifold hole 16 are provided.
  • the thickness of the formed sealing material 14 and the sealing material 14 formed in the communication path (not shown) with the oxidant gas manifold hole 18 must be lower than the height of the flow path formed in the separator. is there. This is to ensure the flow of the reaction gas.
  • the sealing material 14 (including 14-1, 14-2, and 14-3) is formed in an inclined manner, not parallel to the stacking direction of the members (10, 20, 30, and 40) (see FIG. 5D). It is tapered. Specifically, the sealing material 14 is inclined in a taper shape with respect to the stacking direction from the frame body 10 holding the MEA to each separator (the anode separator 20 or the cathode separator 30).
  • the anode separator 20 and the cathode separator 30 are formed with a plurality of linear grooves and ribs at the center thereof.
  • the end surface and the side surface of the formed rib are not perpendicular to the separator surface, but project at an angle of about 30 ° with respect to the vertical direction.
  • the anode separator 20 is laminated on the fuel electrode side of the MEA holding frame body 10, and the end portion 21-1 and the side surface of the rib of the flow path formed on the anode side are in contact with the sealing material 14 of the MEA holding frame body 10.
  • the cathode separator 30 is laminated on the oxidation electrode side of the MEA holding frame 10, and the end face 31-2 and the side surface of the rib of the flow path formed on the cathode side are sealed with the sealing material 14 (non- (Shown).
  • the spacer frame 40 is formed with a sealing material 42 (including 42-1 and 42-2) on the inner periphery of a polypropylene frame (for example, 210 mm long ⁇ 210 mm wide), and further includes a fuel gas manifold hole 16 and an oxidation material. It is obtained by forming the sealant 44 surrounding the agent gas manifold hole 18 and the cavity of the frame of the spacer frame 40.
  • the sealing material 44 prevents cooling water and reaction gas from leaking to the outside.
  • Each sealing material is formed by molding two colors of fluoro rubber.
  • the sealing material 42 disposed on the inner periphery of the spacer frame 40 abuts against the outer periphery of the rib (the end surface and side surface of the rib) formed in the central portion of the anode separator 20 and the cathode separator 30. Therefore, it is not parallel to the stacking direction of the members (10, 20, 30, 40) but is formed in a V shape (see FIG. 5A).
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the vicinity of the end of the flow path (near the fuel gas manifold hole 16) of the laminate in which two unit cells shown in FIG. 1A are stacked.
  • the outer frame of the anode separator 20, the cathode separator 30, and the spacer frame 40 is preferably smaller than the outer frame of the MEA holding frame 10. That is, it is preferable that the side surface of the fuel cell is covered with the outer peripheral surface of the MEA holding frame 10 so that the outer peripheral surfaces of the separators (20, 30) and the spacer frame 40 are not exposed.
  • the end surface 21-2 of the rib on the cooling water side of the anode separator 20 contacts the sealing material 42-1 of the spacer frame 40.
  • the end surface 31-2 of the cooling water side rib of the cathode side separator 30 is also in contact with the sealing material 42-1 of the spacer frame 40.
  • the sealing material 42-1 is V-shaped.
  • the fuel gas passes from the manifold hole 16 through the communication path 16-1 and enters the flow path of the anode separator 20 (the area surrounded by the MEA 11 and the side surface of the rib of the anode separator 20).
  • the fuel gas that has reached the recess 15 of the MEA holding frame 10 changes its traveling direction by 180 ° and flows into the adjacent flow path. This operation is repeated to discharge from a discharge manifold hole (not shown).
  • the oxidant gas enters the channel of the cathode separator 30 from the manifold hole 18 and is further discharged through the channel.
  • the cooling water passes from the cooling water manifold hole 17 through the communication path 43 and enters the flow path of the cathode separator 30 (cooling water side) and the flow path of the anode separator 20 (cooling water side).
  • the cooling water that has reached the dent 41 changes its traveling direction by 180 ° and flows into the adjacent flow path. This operation is repeated and discharged from the manifold hole 17 (discharge side).
  • FIG. 10 shows a state where a stack of two or more fuel cells is sandwiched between current collector plates to form a fuel cell.
  • Each fuel cell includes an MEA holding frame 10, an anode separator 20, a cathode separator 30, and a spacer frame 40.
  • both ends of a stack of two or more fuel cell units are sandwiched between a current collector plate 90, an insulating plate 91, and an end plate 92 with piping, and fastened with bolts 93 and nuts 94 to form a fuel cell ( Fuel cell stack).
  • FIG. 2 shows that 1) a linear flow path is formed in each separator, a folded portion of the flow path is formed in a frame body that holds the MEA, and 2) a single fuel cell disposed between the single fuel cells.
  • stacking of the fuel cell which has the spacer frame which does not flow cooling water between batteries is shown.
  • FIG. 2 is a bird's-eye view of the MEA holding frame 10, the anode separator 20, the cathode separator 30, and the spacer frame 40 '.
  • the MEA holding frame 10, the anode separator 20, and the cathode separator 30 are the same as the fuel unit cell of the first embodiment (FIG. 1A).
  • the unit cell shown in FIG. 1A has a spacer frame 40
  • the unit cell shown in FIG. 2 has a spacer frame 40 '. That is, the cooling water of the fuel cell according to the second embodiment is not passed through the flow path between the stacked fuel cells. That is, the cooling water flows around the outer periphery of the fuel cell.
  • the spacer frame 40 ′ has a seal 44 that surrounds the fuel gas manifold hole 16, the coolant manifold hole 17, and the oxidant gas manifold hole 18. Also, the sealing material 42 ′ disposed on the inner periphery of the spacer frame 40 ′ is different from the sealing material 42 (including 42-1 and 42-2) in FIG. 1 in the entire frame of the frame 40 ′. It is provided around the circumference. Therefore, the spacer frame 40 ′ does not have a connection path (see the communication path 43 in FIG. 1) between the cooling water manifold hole 17 and the cooling water flow path.
  • FIG. 3 shows that 1) a linear flow path is formed in each separator, a folded portion of the flow path is formed in a frame body that holds the MEA, and 2) a flow path of the separator disposed between the fuel cells. 3) Each of the separators is provided with only a fuel gas manifold hole or an oxidant gas manifold hole, and a state before stacking of the fuel cells is shown. .
  • FIG. 3 is a bird's-eye view of the MEA holding frame 10, the anode separator 20 ', the cathode separator 30', and the spacer frame 40.
  • FIG. The MEA holding frame body 10 and the spacer frame body 40 are the same as the fuel unit cell of the first embodiment (FIG. 1A).
  • the fuel cell shown in FIG. 3 is different from the fuel cell (FIG. 1) having the anode separator 20 and the cathode separator 30 in that the fuel cell has the anode separator 20 ′ and the cathode separator 30 ′. That is, the anode separator 20 ′ has the fuel gas manifold hole 16 and the coolant manifold hole 17, but does not have the oxidant gas manifold hole, and the portion where the oxidant gas manifold hole should be formed is deleted. Has been.
  • the cathode separator 30 ′ has the oxidant gas manifold hole 18 and the cooling water manifold hole 17, but does not have the fuel gas manifold hole, and the portion where the fuel gas manifold hole should be formed is deleted. Yes.
  • FIG. 4A 1) a serpentine-shaped flow path is formed in the separator, the frame holding the MEA has no flow-folded portion of the flow path, and 2) the fuel cell is arranged between the fuel cells and cooled to the separator flow path
  • positioned is shown.
  • FIG. 4A is a bird's-eye view of the MEA holding frame 10 ′, the anode separator 20 ′′, the cathode separator 30 ′′, and the spacer frame 40 ′′.
  • FIG. 4B shows the surface on the cooling water channel side of the anode separator 20 ′′ and the surface on the anode side of the spacer frame 40 ′′. That is, the surfaces of the anode separator 20 ′′ and the spacer frame 40 ′′ that contact each other are shown.
  • the sealing material 42 of the spacer frame 40 ′′ contacts the ribs at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator 20 ′′.
  • An arrow Z indicates the direction in which the cooling water flows.
  • FIG. 4C shows the MEA side surface of the anode separator 20 ′′ and the electrode surface of the MEA holding frame 10 ′. That is, the surfaces of the anode separator 20 ′′ and the MEA holding frame 10 ′ that are in contact with each other are shown.
  • FIG. 4D shows a surface on the cooling water channel side of the cathode separator 30 ′′ and a surface on the cathode side of the spacer frame 40 ′′. That is, the surfaces of the cathode separator 30 ′′ and the spacer frame 40 ′′ that contact each other are shown.
  • the sealing material 42 of the spacer frame 40 ′′ contacts the ribs at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the cathode separator 30 ′′.
  • 4E and 4F are cross-sectional views of a stack of two fuel single cells (a stack of MEA holding frame 10 ′, anode separator 20 ′′, cathode separator 30 ′′, spacer frame 40 ′′).
  • . 4E is a cross-section along X in FIGS. 4B-D
  • FIG. 4F is a cross-section along Y in FIGS. 4B-D.
  • Example 1 An MEA holding frame, an anode separator, a cathode separator, and a spacer frame (FIG. 1) for flowing cooling water corresponding to the first embodiment were produced.
  • the amount of catalytic metal contained in the obtained catalyst layer of each electrode was 0.3 mgc / m 2 , and the amount of perfluorosulfonic acid was 1.2 mgc / m 2 .
  • the obtained cathode electrode and anode electrode had the same structure except for the catalyst material.
  • Each of these electrodes was disposed on both sides of the central portion of the polymer electrolyte membrane having an area slightly larger than that.
  • the polymer electrolyte membrane was a perfluorosulfonic acid thin film (thickness: 30 ⁇ m).
  • a fluoro rubber sheet (thickness: 250 ⁇ m) cut out to a predetermined size (155 mm ⁇ 155 mm) is disposed on both sides of the exposed polymer electrolyte membrane with a part of the electrode sandwiched between them. Then, they were joined and integrated by hot pressing to obtain MEA.
  • the MEA holding frame described in Embodiment 1 was produced using the MEA produced in this way.
  • the groove depth (rib height) was about 1 mm. The press working was performed such that the rolling direction of the SUS316 plate material and the longitudinal direction of the wavy groove were parallel.
  • the end face and side face of the rib formed in the center part of the SUS plate were not perpendicular to the surface of the SUS plate, but were inclined and protruded. Specifically, it was inclined 30 ° outward with respect to the vertical axis from the surface.
  • a sealing material was disposed on the outer periphery of the MEA held by the MEA holding frame (that is, the inner periphery of the MEA holding frame).
  • the disposed sealing material was in contact with a rib (an end surface or a side surface of the rib) at the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the separator. That is, the contact surface between the sealing material and the end face or side face of the rib of the separator was inclined by 30 ° with respect to the stacking direction.
  • a single cell which is a laminate of a cathode separator, an MEA holding frame, an anode separator, and a spacer frame for flowing cooling water, was laminated in 50 cells. Further, the current collector plate made of a copper plate having a gold plating surface was sandwiched between the 50-cell laminates with a stainless steel end plate through an insulating plate made of polyphenylene sulfide, and both end plates were fastened with fastening rods. At this time, it adjusted with the pressure sensitive paper so that the fastening pressure per unit area of an electrode might be 100 N / cm ⁇ 2 >. The total fastening force, which is the sum of the compressive force applied to the electrode and the pressure applied to the seal, was 15 kN.
  • the solid polymer fuel cell produced as described above was supplied with hydrogen and air at a hydrogen utilization rate of 70% and an oxygen utilization rate of 20%, and a performance test was conducted.
  • the battery temperature was 75 ° C
  • the dew point on the hydrogen side was 80 ° C
  • the dew point on the air side was 75 ° C.
  • a power output of 1050 W (35 V-30 A) was obtained.
  • a low output about 50%
  • hydrogen and air are used at a hydrogen utilization rate of 65% and an oxygen utilization rate of 15%. There was a need to supply.
  • Example 1 A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator shown in FIG. 7 was used as an anode separator and a cathode separator. However, the sealing material (reference numerals 14 and 42 in FIG. 1A) for the MEA holding frame and the spacer frame was omitted. In order to apply a fastening pressure of 100 N / cm 2 per electrode unit area and maintain the same hermeticity as in Example 1, it is necessary to closely attach a seal (reference numeral 102 in FIG. 7) to the channel groove of the separator. Yes, a total fastening force of 50 kN was required.
  • Example 1 Although the separator flow path is linear, the amount of fuel gas and oxidant gas flowing into each flow path varies, and flooding is likely to occur in the flow path close to the outer periphery particularly during low-load operation. Therefore, as in Example 1, although a normal output was obtained with a hydrogen utilization rate of 70% and an oxygen utilization rate of 20%; to obtain a low output, a hydrogen utilization rate of 60% and an oxygen utilization rate of 12% It was necessary to flow air.
  • Example 2 A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator shown in FIG. 8 was used as an anode separator and a cathode separator (MEA holding frame and spacer frame sealing material (reference numeral 14 in FIG. 42) was omitted).
  • the separator channel was serpentine.
  • a seal (112 in FIG. 8) needs to be closely attached to the flow channel groove of the separator. A total fastening force of 20 kN was required.
  • Example 3 A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator and MEA holding frame shown in FIG. 9 were used.
  • the sealing material 122 at the boundary portion of the flow path group of the MEA holding frame was an insulating member.
  • a total fastening force of 12 kN was required.
  • the contact resistance has increased, a predetermined voltage cannot be obtained, and when hydrogen and air are flowed at a hydrogen utilization rate of 70% and an oxygen utilization rate of 20%, an output of only 900 W (30V-30A) can be obtained. could not. Thus, the effectiveness of Example 1 was confirmed.
  • Example 2 the fuel unit cell (referred to as “cooling unit cell”) including the spacer frame for flowing the cooling water described in the first embodiment, and the spacer frame body described in the second embodiment for not flowing the cooling water.
  • the fuel cells (referred to as “non-cooled cells”) including these were alternately stacked, and both ends were cooled cells.
  • the laminate was fastened with a fastening rod.
  • Example 3 In Example 3, the MEA holding frame and separator described in Embodiment 3 (see FIG. 3) were used. In the anode separator, only the portion corresponding to the electrode, the circumference of the fuel gas manifold hole, and the circumference of the cooling water manifold hole are 5 mm, and the metal plate of the portion where the oxidant gas manifold hole is formed is omitted. Similarly, in the cathode separator, only the portion corresponding to the electrode, the circumference of the oxidant gas manifold hole, and the circumference of the cooling water manifold hole are 5 mm, and the metal plate of the portion where the fuel gas manifold hole is formed is omitted. Thereby, compared with Example 1, the weight of the separator alone was reduced by 15%, and the weight of the entire stack was reduced by 11%.
  • stacked the cell was carried out similarly to Example 1, and was fastened.
  • the fastening pressure at this time was 100 N / cm 2 per unit area of the electrode.
  • the total fastening force including the compression force to the electrode and the pressure applied to the seal was 15 kN.
  • Example 4 In Example 4, the MEA holding frame and the separator described in Embodiment 4 (see FIGS. 4A to F) were used.
  • the flow path between the anode surface and the cooling water surface of the anode separator and the flow path between the cathode surface and the cooling water surface of the cathode separator are formed in a serpentine shape from the inlet to the outlet of the flow path.
  • Example 4 Compared with the fuel unit cell of Example 1, the sealing performance was improved because the contact distance between the MEA holding frame body and the spacer member and the rib portion of the separator was longer. In particular, flooding is unlikely to occur at low loads, and in order to obtain a low output of 525 W (35V-15A) in Example 1, it was necessary to flow hydrogen and air at a hydrogen utilization rate of 65% and an oxygen utilization rate of 15%. In contrast, in Example 4, low output was obtained by flowing hydrogen and air at a hydrogen utilization rate of 67% and an oxygen utilization rate of 18%.
  • Example 1 when the plate material of SUS316 was pressed into a serpentine shape, the metal plate was likely to break at the channel turn part. Therefore, the separator production yield in Example 1 was almost 100%, while the separator production yield in Example 4 was 85%.
  • the polymer electrolyte fuel cell or fuel cell of the present invention uses a separator having a corrugated cross section, and does not require an excessive fastening force or increase in contact resistance. Regulates the flow of gas flowing through each other and reliably prevents mutual mixing.
  • the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is used in, for example, a portable power source, an electric vehicle power source, and a domestic cogeneration system.

Abstract

　金属セパレータを用いた燃料電池であって、簡易な構造でありながら、過剰な締結力を要せずに、反応ガスのリークがより確実に抑制された燃料電池を提供することを目的とする。すなわち本発明は、ＭＥＡを保持する枠体と、金属セパレータとを有する固体高分子型燃料単電池であって、１）セパレータの中央部分は電極と相対しかつ直線状の流路を形成されており、セパレータの外周部分はマニホールド穴を有する平板構造であり、２）ＭＥＡを保持する枠体は、電極それぞれの周囲を覆うシール材であって、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触して、反応ガスの流れを規制するシール材を有し、３）電極の周囲を覆うシール材と、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、枠体からセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料単電池に関する。

Description

燃料電池
　本発明は、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池に関する。
　固体高分子電解質膜を用いる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの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、電力と熱とを同時に発生させる電池である。基本的な構成部材として、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜；および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極を有する。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層；および触媒層の外側に配置され、通気性と電子導電性を併せもつガス拡散層からなることが多い。
　供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、 ２種のガスが互いに混合したりしないようにするため、電極の周囲には高分子電解質を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。この組み立て体を、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と称する。
　さらにＭＥＡの両面には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡどうしを互いに電気的に直列に接続するための、導電性セパレータが配置される。セパレータの表面のうち、ＭＥＡと接触する面には、電極面に反応ガスを供給し、反応により生じた水や余剰ガスを運び去るための流路が形成される。流路は、セパレータとは別個の部材に設けられてもよいが、一般的にはセパレータの表面に溝を設けて流路を形成する。
　燃料電池は運転中に発熱するので、電池を適切な温度に維持するためには、冷却水を流して冷却する必要がある。通常、１～３つの単電池毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。セパレータとセパレータとの間に別個の冷却部材を挿入する場合と、セパレータの背面（電極に接する面とは反対側の面）に冷却水路を形成する場合とがあり、後者を採用する場合が多い。
　通常、１０～２００の燃料単電池（各燃料単電池は、ＭＥＡと、一対のセパレータと、必要に応じて冷却部を含む）を積層して得られる積層体を、集電板と絶縁板を介して端板で挟み、さらに締結ボルトで締結して、一般的な積層構造の燃料電池を得る。
　固体高分子型燃料電池のセパレータは、導電率が高いこと、燃料ガスに対して気密性が高いこと、更に水素や酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐腐食性を有することが必要とされる。このような理由から、通常のセパレータは、グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構成され、カーボン素材の切削や型による成形で反応ガス流路が形成されていた。
　しかしながらカーボン材料自体のコストは高く、またカーボン材料に切削や成形により複雑な反応ガス流路を形成するための時間を短縮することは困難である。それらが、カーボン材料のセパレータの実用化の障害となっていた。
　そのため近年、カーボン材料のセパレータに代わって、ステンレス鋼などの金属製のセパレータが開発されている。金属製のセパレータは、プレス成形により、その表面に溝とリブを交互に形成される。
　カーボンセパレータと比較すると金属セパレータは、セパレータの断面が波形であるため、その流路端部においてガスがリークしやすく、互いのガスが混合しやすい。そのため、ガスのリークを防止する工夫が必要である。
　ガスのリークを防止する工夫の一つに、図６に示されるように、セパレータの波形（凹凸）流路１２１の長手方向の両端に、凹の深さよりも浅く凸の高さよりも低くして設けた一対のヘッダー部１２２ａと１２２ｂと、を有する金属セパレータ１２０が提案されている（特許文献１を参照）。このヘッダー部１２２ａと１２２ｂを密閉空間とするためのシール材（不図示）を配置して、酸化剤ガスや燃料ガスを漏洩させることなく波形流路に流通させる。
　ガスのリークを防止する工夫の他の一つに、図７に示されるように、金属セパレータ１００のガス流路１０１の流路端部において、その裏の溝をシール材１０２で封止することが提案されている（特許文献２を参照）。また図８に示されるように、金属セパレータ１１０のガス流路１１１の流路端部付近において、その裏の溝をゴムシート１１２によって封止することが提案されている（特許文献３を参照）。それにより、ガス流路の流路端部でのリークを抑制し、反応ガスの混合を防止する。
　このように従来は、薄板金属セパレータの流路端部でのガスリークを防止するため、流路を形成する溝の内部にシール材やゴムシートを密着させて封止していた。ところが、燃料電池の駆動状態によって燃料電池の内圧は変化するため、シール材１０２（図７）またはゴムシート１１２（図８）による封止状態も、燃料電池の駆動状態に応じて変化する。しかしながら前記封止性は、封止される流路と、他の流路または外気の圧力差が最大のときでも維持されなければならない。通常は、１５０ｋＰａの圧力差が生じたときであっても、ガスのリーク量が２０ＳＣＣＭ以下であることが要求される。
　このため金属セパレータを用いた燃料電池は、積層体を大きい力で締結する必要がある。そのために、積層体を締結するための端板やボルト構造が大型化し、コスト高や重量の増大が生じやすいという問題があった。
　さらに図９に示されるように、ＭＥＡのシール部材を延長して（図９の１２２参照）、延長シール部分をセパレータ流路にはめ込むことにより、金属マニホールドの流路端部における反応ガスのリークを防止する工夫が提案されている（特許文献４を参照）。この延長シール部分は、流路群の境界となり、流体の流れを適切に規制する。ところが、この延長シール部分は、セパレータと電極を電気的に絶縁させる。そのため、延長されたシールと電極との接触部は電流通過に寄与せず、全体として接触抵抗が増大し、出力電圧が低下する。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率が低下するという問題が生じた。また、ＭＥＡとセパレータを積層するときに、延長されたシールが適切に流路にはめ込まれない、つまり位置ずれを起こすこともあった。
特開２００３－２０３６４４号公報 国際公開第０１／０５９８６４号パンフレット 特開２０００－１３３２９１号公報 特開２００２－１２４２７５号公報
　前述の通り、金属セパレータを用いた燃料電池を実用化させるには、金属セパレータのガス流路端部におけるガスのリークを抑制して、反応ガスの混合を防止するための工夫が必要とされる。また、ＭＥＡとセパレータを積層したときの位置ずれを抑制して、確実かつ容易にガスのリークを防止することが求められる。そこで本発明は、金属セパレータを用いた燃料電池であって、簡易な構造でありながら、過剰な締結力を要せずに、反応ガスのリークがより確実に抑制された燃料電池を提供することを目的とする。
　すなわち本発明は、以下に示される燃料単電池、またはその積層体を含む燃料電池に関する。
　［１］　高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極とを枠内部に保持する枠体と；前記燃料極に積層された、燃料ガスを供給および排出する流路を有するアノードセパレータと；前記酸化極に積層された、酸化剤ガスを供給および排出する流路を有するカソードセパレータと、を含む固体高分子型燃料単電池であって、
　前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの中央部分は、前記燃料極および酸化極と相対し、表裏に溝とリブを交互に形成され、厚さが一定の波形断面を有し、かつ直線状の流路を形成されており；前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの外周部分は、マニホールド穴を有する平板構造であり、
　前記枠体の両面には、
　　　前記アノードセパレータまたはカソードセパレータが形成する流路が折り返すための凹部が形成されており、
　　　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置され、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触して、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを規制するシール材が配置され、
　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料単電池。
　［２］　［１］に記載の燃料単電池の複数個を積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
　前記燃料単電池同士の間に積層されたスペーサ枠体であって、燃料単電池同士の間のセパレータ流路に冷却水を流すための枠体をさらに有し、
　前記スペーサ枠体の両面には、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触し、冷却水の流れを規制するシール材が形成され、
　前記スペーサ枠体に形成されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記スペーサ枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料電池。
　［３］　［１］に記載の燃料単電池の複数個を積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
　前記燃料単電池同士の間に積層されたスペーサ枠体であって、燃料単電池同士の間のセパレータ流路に冷却水を流さない枠体をさらに有し、
　前記スペーサ枠体の両面には、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触するシール材が形成され、
　前記スペーサ枠体に形成されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記スペーサ枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料電池。
　［４］　高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極とを枠内部に保持する枠体と；前記燃料極に積層された、燃料ガスを供給および排出する流路を有するアノードセパレータと；前記酸化極に積層された、酸化剤ガスを供給および排出する流路を有するカソードセパレータと、を含む固体高分子型燃料単電池であって、
　前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの中央部分は、前記燃料極および酸化極と相対し、表裏に溝とリブを交互に形成され、厚さが一定の波形断面を有し、かつサーペンタイン状の流路を形成されており；前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの外周部分は、マニホールド穴を有する平板構造であり、
　前記枠体の両面には、前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置され、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触して、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを規制するシール材が配置され、
　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料単電池。
　本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、金属セパレータを用いるにも係わらず、積層体を通常の力で締結すれば、大きい圧力差（例えば１５０ｋＰａ）が生じても、ガスのリーク量を２０ＳＣＣＭ以下に維持することができ、ガスの混合を抑制できる。また、ＭＥＡとセパレータとを積層するときの位置決めがしやすく、位置ずれも生じにくい。
実施の形態１の燃料単電池の、ＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、およびスペーサ枠体の鳥瞰図であり、積層前の燃料単電池の様子が示される。 図１Ａに示された燃料電池の２つを積層した積層体の断面図である。 実施の形態２の燃料単電池の、ＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、およびスペーサ枠体の鳥瞰図であり、積層前の燃料単電池の様子が示される。 実施の形態３の燃料単電池の、ＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、およびスペーサ枠体の鳥瞰図であり、積層前の燃料単電池の様子が示される。 実施の形態４の燃料単電池の、ＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、およびスペーサ枠体の鳥瞰図であり、積層前の燃料単電池の様子が示される。 図４Ａのアノードセパレータとスペーサ枠体の、互いの接触面を示す。 図４ＡのＭＥＡ保持枠体とアノードセパレータの、互いの接触面を示す。 図４Ａのカソードセパレータとスペーサ枠体の、互いの接触面を示す。 図４の燃料電池の断面図である。 図４の燃料電池の断面図である。 図５Ａは、図１におけるスペーサ枠体のＡの断面を；図５Ｂは、図１におけるセパレータのＢの断面を、図５Ｃは、図１におけるセパレータのＣの断面を、図５Ｄは、図１におけるＭＥＡ保持枠体のＤの断面を示す図である。それに含まれる各部材が積層方向に対して傾斜している状態を示す。 従来の金属セパレータを示す図である。 従来の金属セパレータを示す図である。 従来の金属セパレータを示す図である。 比較例の燃料単電池の、ＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、およびスペーサ枠体の鳥瞰図であり、積層前の燃料単電池の様子が示される。 複数の燃料単電池の積層体を締結して、燃料電池スタックを作製する様子を示す図である。
　１．本発明の燃料単電池について
　本発明の燃料単電池は、１）高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極とを枠内に保持する枠体、２）燃料極に積層された、燃料ガスを供給および排出する流路を有するアノードセパレータ、３）酸化極に積層された、酸化剤ガスを供給および排出する流路を有するカソードセパレータとを有し、「固体高分子型燃料電池」などと称される。
　アノードセパレータおよびカソードセパレータについて：
　本発明の燃料単電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータは、金属製のセパレータ（「金属セパレータ」とも称する）であることが好ましい。金属セパレータの断面は波形形状を有し、セパレータの表面には溝とリブが交互に形成されている。金属セパレータの厚さはほぼ一定であり、波形断面の厚さもほぼ一定である。つまり、金属セパレータの第１面には、溝とリブが交互に形成されており；その溝とリブに対応する箇所の第１の面の裏面には、リブと溝がそれぞれ形成されている。金属セパレータは、金属板をプレス加工して波形形状とすることにより作製されうる。セパレータに形成された溝とリブのうち、溝に流体（燃料ガスまたは酸化ガス、あるいは冷却水）が流れる。つまり、溝がセパレータ流路となる。
　アノードセパレータおよびカソードセパレータの中央部分には流路が形成され、つまり溝とリブが形成され；外周部分は平板状であり、マニホールド穴が形成されているが、流路は形成されていない。マニホールド穴とは、燃料電池のマニホールドを構成する穴であり、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷媒（例えば冷却水）が流れる穴である。
　流路が形成されているセパレータの中央部分は、後述の枠体の内部に保持されるＭＥＡの電極（燃料極または酸化極）に相対し、その電極面と同一の形状と同一の面積を有することが好ましい。
　また、セパレータの中央部分に形成される流路は、直線状であってもよく（図１Ａなど参照）、サーペンタイン状であってもよい（図４Ａなど参照）。セパレータの中央部分に形成される流路が直線状である場合には、ＭＥＡを保持する枠体（後述）に、流路が折り返すための凹部が形成されている必要がある（図１Ａにおける１５を参照）。
　一方、セパレータの中央部分に形成される流路がサーペンタイン状である場合には、流路自体が折り返しているので、ＭＥＡを保持する枠体（後述）に、流路が折り返すための部材（凹部）を設ける必要はない（図４Ａを参照）。流路をサーペンタイン状とすれば、マニホールド穴から流路への連絡口以外からの外部へのガスのリークがより確実に防止できる。
　アノードセパレータは、燃料極に積層される。アノードセパレータの燃料極と接する面の流路には、燃料ガスが流される。一方、カソードセパレータは、酸化極に積層される。カソードセパレータの酸化極と接する面の流路には、酸化剤ガスが流される。
　セパレータの中央部分に形成されたリブのうち、少なくとも中央部分と外周部分の境界にあるリブは、セパレータの面に対して垂直ではなく、傾斜して出っ張っていることが好ましい（図１や、図５Ｂ、図５Ｃを参照）。例えば図１Ａに示されるように、「リブの長手方向の端面（図５Ｃ参照）」や「リブの側面（図５Ｂ参照）」が、セパレータ面から傾斜して出っ張っている。少なくとも「リブの長手方向の端面」は、傾斜して出っ張っていることが好ましい。過剰な力で締結することなく、流路端部からのガスのリークを抑制するためである。もちろん、「リブの側面」も傾斜していることが好ましい。セパレータをＭＥＡに積層するときの位置決めがより容易になるからである。
　セパレータの中央部分と外周部分の境界にあるリブは、ＭＥＡを保持する枠体（後述）の電極（酸化極または燃料極）の周囲に沿って配置されたシール材（図１Ａや図１Ｂにおける１４や、図５Ｄを参照）と当接する。ＭＥＡの電極の周囲に沿って配置されたシール材も傾斜しており、その傾斜角度が、前記リブの傾斜角度に対応して一致している。
　一方、セパレータの外周部分（中央部分を覆う周りの領域）は平板状であり、マニホールド穴が形成されている。アノードセパレータの外周部分には、少なくとも燃料ガスマニホールド穴と冷却水マニホールド穴が形成されていることが好ましいが；一方で、酸化剤ガスマニホールド穴はあっても（図１Ａなど参照）、なくても（図３参照）よい。また、カソードセパレータの外周部分には、少なくとも酸化剤ガスマニホールド穴と冷却水マニホールド穴が形成されていることが好ましいが、一方で、燃料ガスマニホールド穴はあっても（図１Ａなど参照）、なくても（図３参照）よい。図３に示されるように、マニホールド穴を省略することで、枠体やＭＥＡに比べて比重の大きい金属製部材の体積を減らし、燃料電池の重量を軽減することができる。
　ＭＥＡを保持する枠体について：
　ＭＥＡを保持する枠体は、枠内部に高分子電解質膜と、それを挟み込む燃料極と酸化極とを枠内部に保持する。高分子電解質膜ならびに燃料極および酸化極は、互いに積層されて一体化されることによりＭＥＡとされていることが好ましく、ＭＥＡの外周に枠体は配置され、ＭＥＡを保持していることが好ましい。
　ＭＥＡを保持する枠体の枠内部は、前述のセパレータの中央部分と同一の形状と面積を有する。つまり、枠内部に露出する電極（燃料極および酸化極）は、セパレータの中央部分（流路が形成された領域）に相対する。
　枠の内周にはシール材が配置される。つまり、枠内部に保持された燃料極または酸化極の外周に沿ってシール材が配置される。そのため、枠の内周に配置されたシール材と、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとが当接する。
　枠の内周に配置されたシール材（すなわち、電極の周囲に沿って配置されたシール材）の少なくとも一部は、傾斜されていることを特徴とする。前述の通り、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブは傾斜しているので、リブに当接するシール材もリブの傾斜にあわせて傾斜されている。つまり、セパレータの中央部分に形成されたリブの「長手方向の端面」が傾斜されている場合には、「長手方向の端面」に接触する箇所のシール材が傾斜していればよく、「リブの側面」が傾斜しているのであれば、「リブの側面」に接触する箇所のシール材が傾斜していればよい。
　「リブの長手方向の端面」と、それに接触するシール材との接触面が傾斜していれば、流路端部からのガスのリークが効果的に抑制される。また、「リブの側面」と、それに接触するシール材との接触面が傾斜していれば、ＭＥＡとセパレータとの位置決めが容易となる。
　セパレータの中央部分に形成された流路が直線状であるときは、ＭＥＡを保持する枠体に「流路が折り返すための凹部」が形成されていている（図１Ａの１５などを参照）。「流路が折り返すための凹部」は、枠体のうち、セパレータの直線状の流路の流路端に対応する部分に形成されている。流路が折り返すための凹部は、流路を流れる流体（反応ガスまたは冷却水）が、電極面の全体に順に行き渡るように流体の流れを規制する。流体の流れを規制するには「流路が折り返すための凹部」を複数の領域に区切ればよい。図１Ａに示されるＭＥＡを保持する枠体（符号１０参照）の流路の流路端に対応する部分には、流路が折り返すための凹部が３つずつ形成されている。したがって、供給マニホールドから流路に供給される流体は、３.５往復して、排出マニホールドから排出される。
　一方、セパレータの流路がサーペンタイン状であるときは、ＭＥＡを保持する枠体に流路が折り返すための凹部が形成されている必要はない。
　前記ＭＥＡを保持する枠体には、枠の内周に配置されたシール材とともに、流路を外部や他の流路から密閉するシール材が形成されていてもよい（図１Ａにおける符号１３参照）。これらのシール材と、枠体とは、同一の素材で一体成形されていることが好ましい。一体成形することにより、シール材の変形量が低減されて、圧縮永久歪を小さくできるので、シール材の耐久性が向上する。
　セパレータのリブと、ＭＥＡを保持する枠体の枠内周に配置されたシール材との関係について：
　前述の通り、本発明の燃料単電池のセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと、ＭＥＡを保持する枠体の枠内周に配置されたシール材とが接触している。本発明の燃料単電池は、この接触面が、燃料単電池の積層方向に対して、平行ではなく傾斜していることを特徴とする。より具体的に、この接触面の法線が、接触しているセパレータに向いており、かつ枠の内周に向かっている。
　特に、セパレータのリブの長手方向の端面と、枠体のシール材との接触面が、枠体からセパレータへの積層方向に対して傾斜していることが好ましい。
　傾斜の程度は、厳密に規定されるわけではないが、積層方向に対して３０～４５°傾斜していることが好ましい。
　前記接触面が、燃料単電池の積層方向に対して傾斜していることにより、以下の効果が得られる。
　１）燃料単電池を通常の締結力で締結すれば、枠体の枠内周に配置されたシール材が、セパレータ流路をより確実にシールすることができる。接触面を斜めにすることにより、締結力が、枠体のシール材とセパレータのリブとに両者の全接触面にわたって均一に伝わりやすくなるからである。特に、リブの長手方向の端面と、シール材との接触面が傾斜していると、流体のシールがより確実になる。
　２）ＭＥＡを保持する枠体と、セパレータとの積層における位置ずれが生じにくくなる。傾斜に沿って積層すれば、適切な位置に配置しやすいからである。
２．本発明の燃料電池について
　本発明の燃料単電池の２以上を積層して、燃料電池を作製することができる。このとき、燃料単電池同士の間に「スペーサ枠体」を配置してもよい。スペーサ枠体は、冷却水マニホールド穴を有し、１）冷却水マニホールドから、単電池同士の間のセパレータ流路に、冷却水を流すための枠体であってもよいし（図１Ａ参照）、２）単電池同士の間の流路に、冷却水を流さない枠体であってもよい（図２参照）。
　図１Ａに示されるように、冷却水を流すためのスペーサ枠体は、冷却水マニホールドから、電極面と接しない面に形成されたセパレータ流路へ冷却水を導くための連絡路を有する。一方、図２に示されるように、冷却水を流路に流さないスペーサ枠体は、冷却水マニホールドと流路との連絡路を有さない。
　スペーサ枠体について：
　スペーサ枠体は、枠の内周にシール材が配置されており、かつそのシール材がセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触する。シール材と枠体とは、同一の素材で、一体成形されていることが好ましい。
　前記の通り、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブ（少なくとも、直線状のリブの長手方向の端面）は、セパレータの平面に対して垂直ではなく、傾斜して出っ張っている。したがって、スペーサ枠体の内周に配置されたシール材も、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブにあわせて、傾斜していることが好ましい。
　より具体的には、スペーサ枠体のシール材と、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面が、積層方向に対して傾斜しており；接触面の法線が、接触しているセパレータに向いており、かつスペーサ枠体の内側に向いていることが好ましい。積層方向に対する傾斜角度は、約３０°～４５°が好ましい。
　スペーサ枠体の一方の面にはアノードセパレータが、もう一方の面にはカソードセパレータが積層される。したがって、スペーサ枠体の内周に配置されたシール材は、Ｖ字状になっていることが好ましい（図１Ａや図５Ａなど参照）。シール材をＶ字状とすることで、アノードセパレータおよびカソードセパレータいずれのリブとの接触面も、傾斜させることができる。
　前記の通り、単電池同士の間に配置されるスペーサ枠体は、単電池同士の間のセパレータ流路に、冷却水を流すための枠体であってもよいし、流さない枠体であってもよい。冷却水を流すためのスペーサ枠体が、１つの燃料単電池毎に配置されていてもよく、２以上の燃料単電池毎に配置されていてもよい。
　冷却水をセパレータ流路に流すためのスペーサ枠体について：
　セパレータの中央部分に形成された流路が直線状であるときに、単電池同士の間のセパレータ流路に冷却水を流すためのスペーサ枠体は、流路を流れる冷却水が折り返すためのへこみ（図１Ａにおける符号４１参照）を有していることが好ましい。冷却水が折り返すためのへこみは、冷却水が面全体に順に行き渡るように流れを規制することが好ましい。そのため図１Ａに示されるように、スペーサ枠体に、折り返すためのへこみが複数形成されている。その折り返すためのへこみの境界となるシール材と、セパレータのリブの長手方向の端面とが、積層方向に対して斜めに当接すると、シール効果が高まり、過剰な締結力が不要となる。
　さらに、スペーサ枠体のシール材（図１Ａにおける符号４２－１および４２－２を参照）と、セパレータのリブとが斜めに接触をすることで、スペーサ枠体とセパレータとの積層における位置ずれが生じにくくなる。
　冷却水をセパレータ流路に流さないスペーサ枠体について：
　単電池同士の間のセパレータ流路に冷却水を流さないスペーサ枠体は、セパレータ流路の形状に係わらず、セパレータの中央部分と外周部分の境界全体のリブ（リブの長手方向の端面や、リブの側面を含む）と接触するシール材を有することが好ましい。そして、スペーサ枠体のシール材と、境界のリブとの接触面が、積層方向に対して傾斜していれば、シール効果が向上し、かつ位置決めが容易となる。
　［実施の形態１］
　図１Ａには、１）各セパレータの中央部分に直線状の流路が形成され、ＭＥＡを保持する枠体に流路の折り返し部が形成され、かつ２）燃料単電池同士の間に配置されたセパレータ流路に、冷却水を流すためのスペーサ枠体が配置された燃料単電池の、積層前の様子が示される。
　図１Ａには、ＭＥＡを保持する枠体（ＭＥＡ保持枠体）１０、アノードセパレータ２０、カソードセパレータ３０、スペーサ枠体４０のそれぞれの鳥瞰図が示される。
　図５Ａはスペーサ枠体４０のＡの断面を、図５Ｂはセパレータ２０および３０のＢの断面を、図５Ｃはセパレータ２０および３０のＣの断面を、図５ＤはＭＥＡ保持枠体１０のＤの断面を示す。
　ＭＥＡ保持枠体１０は、ＭＥＡ１１（例えば、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ）の周囲に、ポリプロピレン製の枠体（縦２２０ｍｍ×横２２０ｍｍ）をインサート成形することにより作製されうる。
　ＭＥＡ保持枠体１０の枠には、複数の凹部１５が形成されている。凹部１５はセパレータの流路を流れる反応ガスが折り返すための領域となる。凹部１５は、枠体１０の両面（アノード側とカソード側）のいずれにも設けられている（カソード側は不図示）。
　ＭＥＡ保持枠体１０は、枠の内周に配置された（つまり、枠体１０に保持されたＭＥＡ１１の外周に沿って配置された）シール材１４（１４－１，１４－２，１４－３を含む）を有する。さらに、外部へのガスのリークを防止するシール材１３も有する。各シール材は、フッ素ゴムを２色成形することにより形成されうる。
　シール材１３は、外部にガスが漏れないように、各マニホールド穴１６～１８（燃料ガスマニホールド穴１６、冷却水マニホールド穴１７、酸化剤ガスマニホールド穴１８）、およびＭＥＡ１１をそれぞれ囲い込む。シール材１３およびシール材１４は、枠体１０の両面（アノード側とカソード側）に設けられている（アノード側は不図示）。
　シール材１４の一部（１４－１および１４－３）の厚さ（ＭＥＡからの高さ）は、セパレータ２０および３０に形成された流路の高さ（リブの高さ）と同じであることが好ましいが；一方で、シール材１４のうちの別の一部、つまり枠体１０の凹部１５に形成されたシール材１４－２や、燃料ガスマニホールド穴１６との連絡路１６－１に形成されたシール材１４や、酸化剤ガスマニホールド穴１８との連絡路（不図示）に形成されたシール材１４の厚さは、セパレータに形成された流路の高さよりも低いことが必要である。反応ガスの流れを確保するためである。
　シール材１４（１４－１，１４－２，１４－３を含む）は、各部材（１０，２０，３０および４０）の積層方向と平行ではなく、傾斜して形成され（図５Ｄを参照）、テーパ状とされている。具体的には、ＭＥＡを保持する枠体１０から、各セパレータ（アノードセパレータ２０またはカソードセパレータ３０）への積層方向に対してシール材１４はテーパ状に傾斜している。
　アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０は、その中央部分に複数の直線状の溝とリブが形成されている。形成されたリブの端面および側面は、セパレータ面から垂直ではなく、垂直方向に対して約３０°傾斜させて突出されている。
　アノードセパレータ２０は、ＭＥＡ保持枠体１０の燃料極側に積層され、アノード側に形成された流路のリブの端部２１－１および側面が、ＭＥＡ保持枠体１０のシール材１４に当接する。一方、カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ保持枠体１０の酸化極側に積層され、カソード側に形成された流路のリブの端面３１－２および側面は、ＭＥＡ保持枠体１０のシール材１４（不図示）と当接する。
　スペーサ枠体４０は、ポリプロピレン製枠体（たとえば、縦２１０ｍｍ×横２１０ｍｍ）の枠内周にシール材４２（４２－１および４２－２を含む）を形成し、さらに燃料ガスマニホールド穴１６および酸化剤ガスマニホールド穴１８、ならびにスペーサ枠体４０の枠の空洞を囲むシール材４４を形成することにより得られる。シール材４４は、冷却水や反応ガスが外部に漏れることを防止する。各シール材は、フッ素ゴムを２色成形することにより形成される。
　スペーサ枠体４０の枠内周に配置されたシール材４２は、アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０の中央部分に形成されているリブ外周（リブの端面および側面）と当接する。そのため、各部材（１０，２０，３０，４０）の積層方向と平行ではなく、Ｖ字状に形成されている（図５Ａを参照）。
　図１Ｂは、図１Ａに示され燃料単電池の２つを積層した積層体の、流路端部付近（燃料ガスマニホールド穴１６付近）の断面図である。図１Ｂに示されるように、アノードセパレータ２０、カソードセパレータ３０、およびスペーサ枠体４０の外枠を、ＭＥＡ保持枠体１０の外枠より小さくすることが好ましい。つまり、燃料単電池の側面は、ＭＥＡ保持枠体１０の外周面で覆われるようにして、セパレータ（２０，３０）やスペーサ枠体４０の外周面が露出しないようにすることが好ましい。
　図１Ｂに示されるように、単電池同士が積層されると、アノードセパレータ２０の冷却水側のリブの端面２１－２は、スペーサ枠体４０のシール材４２－１と当接する。一方、カソード側セパレータ３０の冷却水側のリブの端面３１－２も、スペーサ枠体４０のシール材４２－１と当接する。このように、シール材４２－１はＶ字状にされている。
　燃料ガスは、マニホールド穴１６から連絡路１６－１を通り、アノードセパレータ２０の流路（ＭＥＡ１１と、アノードセパレータ２０のリブの側面に囲まれた領域）に入る。ＭＥＡ保持枠体１０の凹部１５に到達した燃料ガスは（凹部１５は、アノードセパレータ２０の外周部で規定された空間である）、進行方向を１８０°転換して隣接する流路へ流入する。この動作を繰り返し、排出マニホールド穴（図示せず）から排出される。
　酸化剤ガスも、同様にマニホールド穴１８からカソードセパレータ３０の流路に入り、さらに流路を通って排出される。
　冷却水は、冷却水マニホールド穴１７から連絡路４３を通り、カソードセパレータ３０の流路（冷却水側）と、アノードセパレータ２０の流路（冷却水側）に入る。へこみ４１に到達した冷却水は、進行方向を１８０°転換して、隣接する流路に流入する。この動作を繰り返し、マニホールド穴１７（排出側）から排出される。
　図１０には、２以上の燃料単電池の積層体を集電板で挟みこみ、燃料電池とする様子が示される。各燃料単電池は、ＭＥＡ保持枠体１０、アノードセパレータ２０、カソードセパレータ３０、およびスペーサ枠体４０を含む。具体的には、２以上の燃料単電池の積層体の両端を、集電板９０、絶縁板９１、さらに配管付端板９２で挟みこみ、ボルト９３とナット９４で締結して、燃料電池（燃料電池スタック）を得る。
　［実施の形態２］
　図２は、１）各セパレータに直線状の流路が形成され、ＭＥＡを保持する枠体に流路の折り返し部が形成され、かつ２）燃料単電池同士の間に配置された、燃料単電池同士の間に冷却水を流さないスペーサ枠体を有する燃料単電池の積層前の様子が示される。
　図２は、ＭＥＡ保持枠体１０、アノードセパレータ２０、カソードセパレータ３０、スペーサ枠体４０’の鳥瞰図である。ＭＥＡ保持枠体１０、アノードセパレータ２０、カソードセパレータ３０は、実施の形態１の燃料単電池（図１Ａ）と同一である。
　一方、図１Ａに示される燃料単電池はスペーサ枠体４０を有するのに対して、図２に示される燃料単電池はスペーサ枠体４０’を有する点で異なる。つまり、実施の形態２の燃料電池の冷却水は、積層される燃料単電池同士の間の流路には流されない。つまり、冷却水は燃料単電池の外周を流れる。
　スペーサ枠体４０’は、燃料ガスマニホールド穴１６、冷却水マニホールド穴１７、および酸化剤ガスマニホールド穴１８の周りを囲むシール４４を有する。また、スペーサ枠体４０’の枠内周に配置されたシール材４２’も、図１におけるシール材４２（４２－１と４２－２を含む）と異なり、枠体４０’の枠の全内周に設けられている。そのため、スペーサ枠体４０’は、冷却水マニホールド穴１７と冷却水流路との連結路（図１の連絡路４３を参照）を有さない。
　［実施の形態３］
　図３は、１）各セパレータに直線状の流路が形成され、ＭＥＡを保持する枠体に流路の折り返し部が形成され、２）燃料単電池同士の間に配置され、セパレータの流路に冷却水を流すためのスペーサ枠体が配置され、３）各セパレータには、燃料ガスマニホールド穴または酸化剤ガスマニホールド穴のいずれかだけが形成されている燃料単電池の積層前の様子を示す。
　図３は、ＭＥＡ保持枠体１０、アノードセパレータ２０’、カソードセパレータ３０’、スペーサ枠体４０の鳥瞰図である。ＭＥＡ保持枠体１０、スペーサ枠体４０は、実施の形態１の燃料単電池（図１Ａ）と同一である。
　一方、図３に示される燃料単電池はアノードセパレータ２０’とカソードセパレータ３０’を有する点で、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とを有する燃料単電池（図１）と相違する。つまり、アノードセパレータ２０’には、燃料ガスマニホールド穴１６と冷却水マニホールド穴１７が形成されているが、酸化剤ガスマニホールド穴を有さず、酸化剤ガスマニホールド穴が形成されるべき部位が削除されている。一方、カソードセパレータ３０’は、酸化剤ガスマニホールド穴１８と冷却水マニホールド穴１７が形成されているが、燃料ガスマニホールド穴を有さず、燃料ガスマニホールド穴が形成されるべき部位が削除されている。
　［実施の形態４］
　図４Ａには、１）セパレータにサーペンタイン状の流路が形成され、ＭＥＡを保持する枠体に流路の折り返し部がなく、２）燃料単電池同士の間に配置され、セパレータ流路に冷却水を流すためのスペーサ枠体が配置される燃料単電池の積層前の様子が示される。
　図４Ａは、ＭＥＡ保持枠体１０’、アノードセパレータ２０’’、カソードセパレータ３０’’、スペーサ枠体４０’’の鳥瞰図である。
　アノードセパレータ２０’’のアノード面とその裏の冷却水面、およびカソードセパレータ３０’’のカソード面とその裏の冷却水面の電極に相対する領域（中央部分）には、入口から出口までのターン部を有する流路が形成されている。このため、ＭＥＡ保持枠体１０’と、スペーサ枠体４０’’は、図１における凹部１５やへこみ４１（流体が折り返すための領域）を有さない。
　図４Ｂには、アノードセパレータ２０’’の冷却水路側の面と、スペーサ枠体４０’’のアノード側の面とが示される。つまり、アノードセパレータ２０’’とスペーサ枠体４０’’の、互いに接触する面が示されている。スペーサ枠体４０’’のシール材４２が、セパレータ２０’’の中央部分と外周部分の境界のリブに接触する。矢印Ｚは、冷却水の流れる方向を示す。
　図４Ｃには、アノードセパレータ２０’’のＭＥＡ側の面と、ＭＥＡ保持枠体１０’の電極面とが示される。つまり、アノードセパレータ２０’’とＭＥＡ保持枠体１０’の、互いに接触する面が示されている。ＭＥＡ保持枠体１０’のシール材１４が、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブに接触する。
　図４Ｄには、カソードセパレータ３０’’の冷却水路側の面と、スペーサ枠体４０’’のカソード側の面とが示される。つまり、カソードセパレータ３０’’とスペーサ枠体４０’’の、互いに接触する面が示されている。スペーサ枠体４０’’のシール材４２が、カソードセパレータ３０’’の中央部分と外周部分の境界のリブに接触する。
　図４Ｅおよび図４Ｆは、２つの燃料単電池（ＭＥＡ保持枠体１０’、アノードセパレータ２０’’、カソードセパレータ３０’’、スペーサ枠体４０’’の積層体）の積層体の断面図である。図４Ｅは、図４Ｂ～ＤのＸに沿った断面であり、一方、図４Ｆは、図４Ｂ～ＤのＹに沿った断面である。
　以下において本発明を、実施例を参照して説明するが、本発明の範囲はこれらによって限定されない。
　［実施例１］
　実施の形態１に対応するＭＥＡ保持枠体、アノードセパレータ、カソードセパレータ、冷却水を流すためのスペーサ枠体（図１）を作製した。
　ＭＥＡ保持枠体の作製：
　アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金粒子を２５重量％担持して、カソード触媒を得た。また、アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約３０Åの白金-ルテニウム合金粒子を２５重量％担持して、アノード触媒を得た。
　これらの触媒粉末をイソプロピ－ルアルコールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液と混合してペースト状にした。得られたペーストのそれぞれを、スクリーン印刷法を用いて、厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して触媒層を形成した。得られた各々の電極の触媒層に含まれる触媒金属量を０．３ｍｇｃ/ｍ２、パーフルオロスルホン酸の量を１．２ｍｇｃ/ｍ２とした。得られたカソード電極とアノード電極とは、触媒材料以外は同一構造とした。
　これらの電極のそれぞれを、それよりひとまわり大きい面積を有する高分子電解質膜の中心部の両面に配置した。高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸の薄膜（厚さ：３０μｍ）とした。さらに、所定の大きさ（１５５ｍｍ×１５５ｍｍ）に切り抜かれたフッ素系ゴムシート（厚さ：２５０μｍ）を、露出している高分子電解質膜の両側の外周部に、電極の一部を挟んで配置し、ホットプレスによって接合一体化させ、ＭＥＡとした。
　このように作製したＭＥＡを用いて、実施の形態１で説明したＭＥＡ保持枠体を作製した。
　セパレータの作製：
　厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板（２２０ｍｍ×２２０ｍｍ）の中央部（１５５ｍｍ×１５５ｍｍ）をプレス加工して、５．６ｍｍピッチ（溝幅２．８ｍｍ）の波状とした。溝の深さ（リブの高さ）は約１ｍｍとした。プレス加工は、ＳＵＳ３１６板材の圧延方向と波状溝の長手方向が平行となるようにして行った。
　ＳＵＳ板の中央部に形成されたリブの端面および側面は、ＳＵＳ板の表面から垂直ではなく、傾斜させて突出させた。具体的には、表面からの垂直軸に対して、外側に３０°傾斜させた。
　ＳＵＳ板の中央部をプレス加工（第一工程）した後に、さらにＳＵＳ板の周辺部（平面）の歪取りのための加圧と、マニホールド穴の形成のための打ち抜きを同時に行った（第二工程）。
　ＭＥＡ保持枠体に保持されたＭＥＡの外周（つまり、ＭＥＡ保持枠体の枠内周）にシール材を配置した。配置されたシール材は、セパレータの中央部分と外周部分の境界のリブ（リブの端面または側面）と当接するようにした。つまり、シール材と、セパレータのリブの端面または側面との接触面は、積層方向に対して３０°傾斜していた。
　カソードセパレータと、ＭＥＡ保持枠体と、アノードセパレータと、冷却水を流すためのスペーサ枠体との積層体である単電池を、５０セル積層した。さらに、５０セル積層体を、表面に金メッキを施した銅板からなる集電板をポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介して、ステンレス製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。このとき、電極の単位面積あたりの締結圧が１００Ｎ/ｃｍ２となるように感圧紙で調整した。電極への圧縮力とシールへの加圧力との合計である全締結力は、１５ｋＮであった。
　燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路のそれぞれを、１５０ｋＰａの窒素ガスで加圧したところ、いずれの流路についても、外部への窒素ガス漏れ量は２０ＳＣＣＭ以下であった。
　以上のように作製した固体高分子型燃料電池に、水素利用率７０％、酸素利用率２０％で水素と空気を供給し、性能試験を行った。電池温度を７５℃、水素側の露点を８０℃、空気側の露点を７５℃とした。その結果、１０５０Ｗ（３５Ｖ-３０Ａ）の電力出力を得た。この出力を通常出力（１００％）したときに、低出力（約５０％）、つまり５２５Ｗ（３５Ｖ-１５Ａ）の出力を得るには、水素利用率６５％、酸素利用率１５％で水素と空気を供給する必要があった。
　［比較例１］
　図７に示されたセパレータをアノードセパレータおよびカソードセパレータとすること以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。ただし、ＭＥＡ保持枠体およびスペーサ枠体のシール材（図１Ａにおける符号１４や４２）を省略した。電極単位面積あたり１００Ｎ/ｃｍ２の締結圧を付与して、かつ実施例１と同様の気密性を維持するには、セパレータの流路溝にシール（図７の符号１０２）を密着させる必要があり、５０ｋＮの全締結力が必要であった。
　また、セパレータ流路が直線状であるため、各流路への燃料ガスおよび酸化剤ガスの流入量にバラツキが生じ、特に低負荷運転時に外周に近い流路においてフラッディングが生じやすくなった。このため、実施例１と同様に、水素利用率７０％、酸素利用率２０％で通常出力が得られたものの；低出力を得るには、水素利用率６０％、酸素利用率１２％で水素と空気を流す必要があった。
　［比較例２］
　図８に示されたセパレータをアノードセパレータおよびカソードセパレータとすること以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した（ＭＥＡ保持枠体およびスペーサ枠体のシール材（図１Ａにおける符号１４や４２）を省略した）。セパレータ流路は、サーペンタイン状とした。電極単位面積あたり１００Ｎ/ｃｍ２の締結圧を付与して、かつ実施例１と同様の気密性を維持するには、セパレータの流路溝にシール（図８の１１２）を密着させる必要があり、２０ｋＮの全締結力が必要であった。
　また、セパレータ流路がサーペンタイン状であるため、各流路への燃料ガスおよび酸化剤ガスの流入量にバラツキが生じにくく、比較例１と比べると、低負荷運転時でフラッディングが生じにくかった。実施例１と同様のガス利用率で、通常出力および低出力が得られた。
　［比較例３］
　図９に示されたセパレータとＭＥＡ保持枠体を用いること以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。ＭＥＡ保持枠体の流路群の境界部分のシール材１２２は絶縁性部材とした。電極単位面積あたり１００Ｎ/ｃｍ２の締結圧を付与して、かつ実施例１と同様の気密性を維持するには、１２ｋＮの全締結力が必要であった。しかしながら、接触抵抗が増大したため所定の電圧を得ることができず、水素利用率７０％、酸素利用率２０％で水素と空気を流したときに、９００Ｗ（３０Ｖ-３０Ａ）の出力しか得ることができなかった。
　このように、実施例１の有効性が確認された。
　［実施例２］
　実施例２では、実施の形態１で説明した冷却水を流すスペーサ枠体を含む燃料単電池（「冷却単電池」と称する）と、実施の形態２で説明した冷却水を流さないスペーサ枠体を含む燃料単電池（「非冷却単電池」と称する）とを交互に積層し、両端は冷却単電池とした。実施例１と同様にして、積層体を締結ロッドで締結した。
　通常負荷においては、スタックの温度を所定温度に維持するには、冷却水圧損が大きくなり過ぎ、かえってシステム全体の発電効率を低下させる要因となった。一方、低負荷においては、冷却水圧損が実施例１と比べて大きいことで、積層位置ごとの冷却水の流量のばらつきが少なくなった。そのため、冷却水の流量の不足により温度が高くなり過ぎた単電池で、相対湿度が低下して、発電性能が低下する（電圧が下がる）ことが防止できた。１０００時間の発電経過時における電圧低下が、実施例1に比べて５％低減できた。
　［実施例３］
　実施例３では、実施の形態３（図３参照）で説明したＭＥＡ保持枠体とセパレータを用いた。
　アノードセパレータは、電極に対応する部分と、燃料ガスマニホールド穴の周囲５ｍｍと、冷却水マニホールド穴の周囲５ｍｍだけとして、酸化剤ガスマニホールド穴が形成される部分の金属板を省略した。同様に、カソードセパレータは、電極に対応する部分と、酸化剤ガスマニホールド穴の周囲５ｍｍと、冷却水マニホールド穴の周囲５ｍｍだけとして、燃料ガスマニホールド穴が形成される部分の金属板を省略した。
　それにより、実施例１と比較して、セパレータ単体の重量が１５％軽減され、積層スタック全体の重量が１１％軽減された。
　実施例１と同様にして単電池を積層した積層体を締結した。このときの締結圧を、電極の単位面積あたり１００Ｎ/ｃｍ２とした。電極への圧縮力とシールへの加圧力を合わせた全締結力は１５ｋＮとなった。
　燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路のそれぞれを、１５０ｋＰａの窒素ガスで加圧したところ、外部への漏れ量はそれぞれ２０ＳＣＣＭ以下であった。発電性能は実施例1とほぼ同等であった。
　［実施例４］
　実施例４では、実施の形態４（図４Ａ～Ｆを参照）で説明したＭＥＡ保持枠体とセパレータを用いた。アノードセパレータのアノード面と冷却水面の流路、およびカソードセパレータのカソード面と冷却水面の流路は、流路の入口から出口まで、サーペンタイン状に形成されている。
　実施例１の燃料単電池と比較して、ＭＥＡ保持枠体やスペーサ枠体のシール材のテーバー部と、セパレータのリブとの接触距離が長くなるため、シール性が向上した。特に、低負荷においてフラッディングが生じにくく、実施例１で低出力５２５Ｗ（３５Ｖ－１５Ａ）を得るには、水素利用率６５％、酸素利用率１５％で水素と空気を流す必要があったのに対し；実施例４では、水素利用率６７％、酸素利用率１８％で水素と空気を流すことにより低出力が得られた。
　しかしながら、ＳＵＳ３１６の板材をサーペンタイン状にプレス加工すると、流路ターン部において金属板の破断が生じやすかった。そのため、実施例１におけるセパレータ作製の歩留まりがほぼ１００％であったのに対し、実施例４におけるセパレータ作製の歩留まりは８５％であった。
　本発明の高分子電解質型燃料単電池または燃料電池は、波形断面の金属セパレータを採用するにも係わらず、過大な締結力を要することなく、また接触抵抗の増大を招くことなく、セパレータ流路を流れるガスの流れを規制し、互いの混合を確実に防止する。本発明の高分子電解質型燃料電池は、例えばポータブル電源、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に使用される。
　本出願は、２００８年５月２８日出願の特願２００８－１４０１１１に基づく優先権を主張する。当該出願の明細書および図面に開示された内容は、全て本願に援用される。
　１０，１０’，１０’’　ＭＥＡ保持枠体
　１１　ＭＥＡ
　１３　シール材
　１４－１，１４－２，１４－３　枠の内周に配置されたシール材
　１５　折り返すための凹部
　１６　燃料ガスマニホールド穴
　１６－１　連絡路
　１７　冷却水マニホールド穴
　１８　酸化剤ガスマニホールド穴
　２０，２０’，２０’’　アノードセパレータ
　２１－１，２１－２　リブの長手方向の端面
　３０，３０’，３０’’　カソードセパレータ
　３１－１，３１－２　リブの長手方向の端面
　４０，４０’，４０’’　スペーサ枠体
　４１　折り返すためのへこみ
　４２，４２’，４２－１，４２－２　枠の内周に配置されたシール材
　４３　連絡路
　４４　シール材
　９０　集電板
　９１　絶縁板
　９２　配管付端板
　９３　ボルト
　９４　ナット
　１００，１１０，１２０　金属セパレータ
　１０１，１１１，１２１　セパレータ流路
　１０２，１１２，１２２　シール材

Claims (9)

  1. 　高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極とを枠内部に保持する枠体と；前記燃料極に積層された、燃料ガスを供給および排出する流路を有するアノードセパレータと；前記酸化極に積層された、酸化剤ガスを供給および排出する流路を有するカソードセパレータと、を含む固体高分子型燃料単電池であって、
    　前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの中央部分は、前記燃料極および酸化極と相対し、表裏に溝とリブを交互に形成され、厚さが一定の波形断面を有し、かつ直線状の流路を形成されており；前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの外周部分は、マニホールド穴を有する平板構造であり、
    　前記枠体の両面には、
    　　　前記アノードセパレータまたはカソードセパレータが形成する流路が折り返すための凹部が形成されており、
    　　　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置され、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分との境界のリブと接触して、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを規制するシール材が配置され、
    　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料単電池。
  2. 　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面の法線は、接触しているセパレータに向いており、かつ枠体内側に向いている、請求項１に記載の固体高分子型燃料単電池。
  3. 　前記アノードセパレータおよびカソードセパレータは、金属製セパレータである、請求項１に記載の固体高分子型燃料単電池。
  4. 　請求項１に記載の燃料単電池の複数個を積層して構成される固体高分子型燃料電池。
  5. 　請求項１に記載の燃料単電池の複数個を積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
    　前記燃料単電池同士の間に積層されたスペーサ枠体であって、燃料単電池同士の間の前記セパレータ流路に冷却水を流すための枠体をさらに有し、
    　前記スペーサ枠体の両面には、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触し、冷却水の流れを規制するシール材が形成され、
    　前記スペーサ枠体に形成されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記スペーサ枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料電池。
  6. 　請求項１に記載の燃料単電池の複数個を積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
    　前記燃料単電池同士の間に積層されたスペーサ枠体であって、燃料単電池同士の間の前記セパレータ流路に冷却水を流さない枠体をさらに有し、
    　前記スペーサ枠体の両面には、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分との境界のリブと接触するシール材が形成され、
    　前記スペーサ枠体に形成されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記スペーサ枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料電池。
  7. 　前記アノードセパレータは、燃料ガスマニホールド穴と冷却水マニホールド穴を有し、かつ酸化剤ガスマニホールド穴を有さず、
    　前記カソードセパレータは、酸化剤ガスマニホールド穴と冷却水マニホールド穴を有し、かつ燃料ガスマニホールド穴を有さない、
    　請求項１に記載の固体高分子型燃料単電池。
  8. 　高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極とを枠内部に保持する枠体と；前記燃料極に積層された、燃料ガスを供給および排出する流路を有するアノードセパレータと；前記酸化極に積層された、酸化剤ガスを供給および排出する流路を有するカソードセパレータと、を含む固体高分子型燃料単電池であって、
    　前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの中央部分は、前記燃料極および酸化極と相対し、表裏に溝とリブを交互に形成され、厚さが一定の波形断面を有し、かつサーペンタイン状の流路を形成されており；前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの外周部分は、マニホールド穴を有する平板構造であり、
    　前記枠体の両面には、前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置され、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブと接触して、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを規制するシール材が配置され、
    　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面はそれぞれ、前記枠体からアノードセパレータまたはカソードセパレータへの積層方向に対して傾斜している、固体高分子型燃料単電池。
  9. 　前記燃料極または酸化極の周囲に沿って配置されたシール材と、前記アノードセパレータまたはカソードセパレータの中央部分と外周部分の境界のリブとの接触面の法線は、接触しているセパレータに向いており、かつ枠体内側に向いている、請求項８に記載の固体高分子型燃料単電池。
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