(57)【要約】【課題】発電体１０とその一側に配置されたセパレータ２０が、ガスケット３０を介して一体化された燃料電池セル１において、ガスケット３０を一体成形することに起因する発電体１０及びセパレータ２０の強度低下や劣化、及び発電効率の低下を防止する。【解決手段】電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極複合体１１の厚さ方向両側にガス拡散層１２，１３を積層一体化した発電体１０と、この発電体１０の一側に配置されるセパレータ２０と、発電体１０の縁部に沿って配置されると共にセパレータ２０に接着剤３４を介して接着されるゴム状弾性材料からなるガスケット３０とを備え、このガスケット３０に、発電体１０をセパレータ２０に係止する係止部３３を形成する。【選択図】図１
2010177009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極複合体の厚さ方向両側にガス拡散層を積層一体化した発電体と、この発電体の一側に配置されるセパレータと、前記発電体の縁部に沿って配置されると共に前記セパレータに接着剤を介して接着されるゴム状弾性材料からなるガスケットとを備え、このガスケットに、前記発電体を前記セパレータに係止する係止部を形成したことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
係止部が、発電体の他側のガス拡散層から露出させた膜−電極複合体に適当な面圧で密接されるシール面と、当該燃料電池セルの積層状態において前記発電体の他側に位置するセパレータに適当な面圧で密接されるシール面を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極複合体及びその厚さ方向両側に積層された多孔質の第一ガス拡散層からなる発電体と、これに積層されるセパレータとを、ガスケットを介して一体化した燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の燃料電池セルを積層した燃料電池の一部を示す断面図、図９は、図８の燃料電池を構成する従来の燃料電池セルの一部を示す断面図である。
【０００３】
図８に示されるように、燃料電池は、多数の燃料電池セル１００を積層して締結したスタック構造を有する。各燃料電池セル１００としては、図９に示されるように、電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の電極層を設けた膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１１の厚さ方向両側に、多孔質体からなるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）１１２，１１３を積層一体化した発電体１１０と、その一側に配置され、カーボンあるいは導電性金属からなるセパレータ１２０を積層したものが知られている。
【０００４】
この種の燃料電池は、各燃料電池セル１００において、酸化ガス（空気）が、発電体１１０におけるガス拡散層１１２，１１３のうちの一方を介して膜−電極複合体１１１のカソード側に供給され、燃料ガス（水素）が、ガス拡散層１１２，１１３のうちの他方を介して膜−電極複合体１１１のアノード側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。また、各燃料電池セル１００の起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル１００を積層して電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている。
【０００５】
発電体１１０の端縁部や開口縁部には、燃料ガスや酸化ガス、その反応によって生成した水や余剰ガスなどが外部へ漏れたり混合したりしないように、ゴム状弾性材料（ゴム系材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂系材料）からなるガスケット１３０が配置されている。
【０００６】
ガスケット１３０は、その成形に際してゴム系又は樹脂系の低粘度又は液状の成形材料の一部を発電体１１０におけるガス拡散層１１２，１１３の縁部（周縁部及び開口縁部）に含浸させると共に、予め接着剤を塗布したセパレータ１２０に接触させた状態で、前記成形材料を硬化させることによって、ガス拡散層１１２，１１３に形成された含浸領域１１２ａ，１１３ａを介して発電体１１０に一体的に接合され、かつセパレータ１２０にも接着一体化されたものとなっている。そしてこのガスケット１３０は、図９に示されるように山形の主シールリップ１３０ａを有し、この主シールリップ１３０ａが、図８に示される積層状態では積層荷重によってつぶされ、隣接する燃料電池セル１００のセパレータ１２０に密接されることによって、所要の密封機能を奏する。
【０００７】
なお、ガスケットをガス拡散層及びセパレータに成形材料の含浸領域を介して一体化する技術としては、下記の特許文献に開示されたものが知られている。
【０００８】
ところが、上述のように構成された燃料電池セル１００は、発電体１１０及びセパレータ１２０が、ガスケット１３０を介して一体化された構造となるため、部品数が少なくなると共に、積層ずれなどが発生しにくいものとすることができるが、その反面、発電体１１０及びセパレータ１２０を金型内に配置してガスケット１３０を一体成形する際に、これら発電体１１０及びセパレータ１２０が型締めによる機械的ダメージや、金型の加熱による熱的ダメージを受けることが懸念される。特に、膜−電極複合体１１１における電解質膜の熱的ダメージを防止することは重要であり、このため成形条件が制約される問題があった。
【０００９】
また、金属多孔質体などからなるガス拡散層１１２，１１３の縁部に、成形材料の一部を含浸させながらガスケット１３０を成形する際には、成形材料の充填圧力や粘度等を一定にしても、ガス拡散層１１２，１１３の気孔率（空隙率）にはバラつきがあるため、成形材料の含浸領域１１２ａ，１１３ａの大きさを適切にコントロールすることが困難である。その結果、含浸領域１１２ａ，１１３ａが狭すぎる場合はガスケット１３０と発電体１１０との接合強度の低下やガスの浸透漏れに対するシール性の低下を来たし、逆に含浸領域１１２ａ，１１３ａが広すぎる場合は、その分、発電体１１０における発電領域１１０ａ（図９参照）が狭くなって、発電効率の低下を来たす問題があった。
【００１０】
このため、金型の内面に突起を形成して、型締めの際にガス拡散層１１２，１１３の一部を前記突起で圧縮することによって成形材料の含浸を制限する方法や、予めガス拡散層１１２，１１３に、成形材料の含浸を制限するための目止め処理を行う方法が考えられるが、前者の方法ではガス拡散層１１２，１１３が圧縮によってダメージを受けるおそれがあり、後者の方法ではガス拡散層１１２，１１３に目止め処理を行う工程が必要になる。
【００１１】
さらに、水素と酸素の反応による発電過程で生成される水の排出性を良好にするためには、セパレータ１２０の表面には適度な濡れ性が求められるが、ガスケット１３０を一体成形した場合、加硫の際に発生するガスがセパレータ１２０の表面の濡れ性に悪影響を与えるおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１６０２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、膜−電極複合体及びガス拡散層からなる発電体とその一側に配置されたセパレータが、ガスケットを介して一体化された燃料電池セルにおいて、前記発電体及びセパレータの強度低下や熱による劣化、及び発電効率の低下を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極複合体の厚さ方向両側にガス拡散層を積層一体化した発電体と、この発電体の一側に配置されるセパレータと、前記発電体の縁部に沿って配置されると共に前記セパレータに接着剤を介して接着されるゴム状弾性材料からなるガスケットとを備え、このガスケットに、前記発電体を前記セパレータに係止する係止部を形成したものである。
【００１５】
なお、ここでいう「発電体の縁部」とは、発電体の外周縁部や開口縁部を総称するものであり、「ゴム状弾性材料」とは、ゴム系材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂系材料をいう。
【００１６】
また、上記構成において一層好ましくは、係止部が、発電体の他側のガス拡散層から露出させた膜−電極複合体に適当な面圧で密接されるシール面と、当該燃料電池セルの積層状態において前記発電体の他側に位置するセパレータに適当な面圧で密接されるシール面を有するものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明に係る燃料電池セルによれば、ガスケットを発電体のガス拡散層に含浸成形により一体成形することなく発電体とセパレータとガスケットを一体に有する構造とすることができる。このため、膜−電極複合体及びガス拡散層からなる発電体とその一側に配置されたセパレータが、ガスケットの一体成形の際の型締めによる強度低下や、熱による悪影響を受けるおそれがなく、セパレータの濡れ性の悪化を来たすおそれがなく、ガスケット成形材料の含浸による発電効率の低下を来たすこともない。
【００１８】
また、請求項２の発明に係る燃料電池セルによれば、燃料電池セルの積層状態において、ガスケットの係止部が発電体の膜−電極複合体とセパレータの間に密接された状態で、ガスケットが発電体の縁部を覆った構造となるため、ガス拡散層から反応ガスが膜−電極複合体の縁部を回り込んでクロスリークするのを有効に遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第一の形態の燃料電池セルを積層した燃料電池を示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る第一の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図である。
【図３】本発明に係る第一の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【図４】本発明に係る第二の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図である。
【図５】本発明に係る第二の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【図６】本発明に係る第三の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図である。
【図７】本発明に係る第三の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【図８】従来の燃料電池セルを積層した燃料電池を示す部分断面図である。
【図９】従来の燃料電池セルを示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る燃料電池セルについて、図面を参照しながら詳細に説明する。まず図１は、第一の形態の燃料電池セルを積層した燃料電池を示す部分断面図、図２は、第一の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図、図３は、第一の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【００２１】
図１に示される燃料電池は、多数の燃料電池セル１を積層して締結したスタック構造を有する。各燃料電池セル１は、図２に示されるように、電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の電極層（アノード及びカソード）を設けた膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１の厚さ方向両側に、金属多孔質体等からなるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）１２，１３を積層一体化した発電体１０と、その一側に配置され、カーボンあるいは導電性金属からなるセパレータ２０と、発電体１０の縁部に沿って配置されると共に前記セパレータ２０に接着剤３４を介して接着されるゴム系材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂系材料からなるガスケット３０とを備える。
【００２２】
セパレータ２０には、反応ガスすなわち燃料ガス及び酸化ガスを発電体１０における膜−電極複合体１１のアノード側及びカソード側に供給し、あるいは燃料ガスと酸化ガスの電気化学的反応による生成水を排出し、あるいは冷却水を供給・排出させるためのマニホールド孔が開設されている。そして発電体１０におけるガス拡散層１２，１３は、セパレータ２０の供給側マニホールド孔と排出側マニホールド孔の間で、燃料ガス及び酸化ガスを流通させるガス流路をなすものである。
【００２３】
発電体１０はセパレータ２０よりも面積が小さく、すなわちこの発電体１０の外周縁部あるいはマニホールド孔の周囲に位置する縁部は、セパレータ２０の縁部（外周縁部あるいはマニホールド孔の開口縁部）２０ａより一定幅ｗ1だけ後退している。
【００２４】
発電体１０における膜−電極複合体１１及びその一側のガス拡散層１２は互いに同一面積であって、その縁部１１ａ，１２ａが互いに揃っているのに対し、他側のガス拡散層１３は、前記膜−電極複合体１１及びガス拡散層１２よりも面積がやや小さく、他側のガス拡散層１３の外周縁部あるいはマニホールド孔の周囲に位置する縁部１３ａは、膜−電極複合体１１及びガス拡散層１２の縁部１１ａ，１２ａより一定幅ｗ2だけ後退している。このため、発電体１０の縁部は段差状をなしていて、膜−電極複合体１１の縁部１１ａは、他側のガス拡散層１３の縁部１３ａから張り出して露出している。
【００２５】
ガスケット３０は、不図示の金型によって発電体１０及びセパレータ２０とは別部材として成形されたものであって、発電体１０の縁部に沿って延在されると共にセパレータ２０に接着により一体化されている。このガスケット３０をなすゴム系材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂系材料としては、成分の溶出性が少なく、燃料電池内部の使用環境で所要の耐性を有するものであればとくに制限はないが、例えばＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）などが好適に採用可能である。
【００２６】
そしてこのガスケット３０は、セパレータ２０における縁部２０ａに沿った部分の片面に接着剤３４を介して一体的に接着される基部３１と、この基部３１における接着面と反対側に断面山形に隆起形成された主シールリップ３２と、前記基部３１における発電体１０側の側面上部から延びる係止部３３とを有する。ガスケット３０の基部３１の上面には、主シールリップ３２の両側に沿って延びる谷部３１ａ，３１ｂが形成されている。
【００２７】
ガスケット３０の基部３１は、セパレータ２０の縁部２０ａと、それより幅ｗ1だけ後退した発電体１０の膜−電極複合体１１及びその一側のガス拡散層１２の縁部１１ａ，１２ａとによる段差部に収まる大きさとなっており、その高さｈ1は、発電体１０の厚さｔとほぼ等しく、主シールリップ３２の高さｈ2は、発電体１０の厚さｔより適宜大きく、係止部３３は、発電体１０における膜−電極複合体１１の縁部１１ａと、それより幅ｗ2だけ後退した他側のガス拡散層１３の縁部１３ａとによる段差部に収まる大きさとなっている。
【００２８】
また、係止部３３には、図１に示される燃料電池セル１の積層状態において発電体１０の膜−電極複合体１１の縁部１１ａに適当なつぶし代で密接されるビード状のシール面３３ａと、隣接する燃料電池セル１のセパレータ２０に密接される平坦なシール面３３ｂが形成されている。
【００２９】
以上の構成を備える第一の形態によれば、ガスケット３０は、発電体１０及びセパレータ２０とは別部材として成形される。このため、先に説明したような含浸成形と異なり、使用すべきゴム系又は樹脂系の成形材料の粘度などの制約がなくなり、材料選定の自由度を高めることができ、成形材料の加硫の際に発生するガスがセパレータ２０の表面やガス拡散層１２，１３の濡れ性に悪影響を与えるおそれもない。しかも、発電体１０における膜−電極複合体１１の耐熱性を考慮する必要がないため、加硫時の成形温度を高温（例えば150℃以上）に設定して短時間で成形することが可能になり、生産性の向上を図ることができる。
【００３０】
また、先に説明したような含浸成形のように、予めガス拡散層１２，１３に成形材料の予備含浸による目止め処理を行う必要がないので、工程の増大を来たさず、しかもガス拡散層１２，１３が目止め部の加硫のための余計な熱履歴を受けることもなく、ガス拡散層１２，１３が金型の型締めによる機械的ダメージを受けることもない。
【００３１】
燃料電池セル１の組み立てに際しては、まず図２に示される組み立て前の状態から、発電体１０をセパレータ２０上に位置決めして載せる。次に、ガスケット３０の基部３１における主シールリップ３２と反対側の面に破線で示される接着剤３４を塗布し、この基部３１を発電体１０の縁部から張り出したセパレータ２０の縁部２０ａの上面２０ｂに接着する。このとき、ガスケット３０をセパレータ２０に接着するのに必要な荷重は、ガスケット３０をセパレータ２０に一体成形するための型締め圧力に比較すると十分に小さなもので良いため、セパレータ２０の変形を来たすことはない。また、接着剤３４の材料としては特に制約はないが、例えばゴム糊系やエポキシ系などの接着剤が好適に採用可能である。
【００３２】
そして上述のように、ガスケット３０の基部３１をセパレータ２０に接着することによって、前記基部３１から延在された係止部３３のビード状のシール面３３ａが発電体１０の膜−電極複合体１１の縁部１１ａに当接するので、この発電体１０は、膜−電極複合体１１の縁部１１ａ及びその一側のガス拡散層１２の縁部１２ａが、セパレータ２０と係止部３３の間に挟持された状態となって係止され、図３に示されるように発電体１０とセパレータ２０がガスケット３０を介して一体化された燃料電池セル１が得られる。
【００３３】
このように組み立てられた燃料電池セル１は、図１に示されるように、厚さ方向に多数積層すると共に電気的に直列に接続することによって、燃料電池スタックとして組み立てられる。
【００３４】
そしてこの燃料電池スタックは、各燃料電池セル１において、酸化ガス（空気）が、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３のうち一方を介して膜−電極複合体１１のカソード側に供給され、燃料ガス（水素）が、発電体１０におけるガス拡散層１２，１３のうち他方を介して膜−電極複合体１１のアノード側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する電気化学的反応によって電力を発生するものであり、この電力が、集電板であるセパレータ２０を介して取り出されるようになっている。
【００３５】
ここで、各燃料電池セル１のガスケット３０は、隣接する他の燃料電池セル１におけるセパレータ２０の縁部２０ａに、主シールリップ３２が適当につぶれた状態で密接されることによって、不図示のマニホールド孔やガス拡散層１２，１３による流路内を流れる酸化ガスや燃料ガスなどが漏洩するのを防止する密封機能を奏するものである。そして、主シールリップ３２の圧縮による応力は、両側の谷部３１ａ，３１ｂによってある程度吸収されるので、主シールリップ３２のヘタリによる経時的な密封性の低下を抑制することができる。
【００３６】
また図１に示される燃料電池セル１の積層状態では、各ガスケット３０における係止部３３は、発電体１０の膜−電極複合体１１の露出縁部１１ａと、隣接する燃料電池セル１のセパレータ２０の間にシール面３３ａ，３３ｂにおいて密接状態に介在し、この係止部３３と、基部３１によって、発電体１０の縁部、すなわち膜−電極複合体１１及びガス拡散層１２，１３の縁部１１ａ，１２ａ，１３ａを遮蔽しているため、一側のガス拡散層１２の縁部１２ａ及び他側のガス拡散層１３の縁部１３ａから、酸化ガスと燃料ガスが膜−電極複合体１１の縁部１１ａを回り込むようにして互いにクロスリークするのを有効に防止することができる。
【００３７】
さらに、この燃料電池セル１によれば、発電体１０のガス拡散層１２，１３に、従来のような成形材料の含浸領域が存在しないため、図３に示されるように、ガスケット３０の係止部３３のビード状シール面３３ａで囲まれた領域全体を発電領域１０ａとすることができる。したがって、広い発電領域１０ａを確保して発電効率を向上することができる。
【００３８】
次に図４は、本発明に係る第二の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図、図５は、同じく第二の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【００３９】
この第二の形態の燃料電池セル１において、先に説明した第一の形態と異なるところは、ガスケット３０の係止部３３のうち、発電体１０の膜−電極複合体１１と反対側を向いたシール面３３ｂを、発電体１０の上面（他側のガス拡散層１３の上面）より高く隆起したかまぼこ型の凸面状に形成したことにある。その他の部分は、基本的に第一の形態と同様に構成されている。
【００４０】
この形態による燃料電池セル１も、基本的には第一の形態と同様の効果を奏するものである。そして図１のように積層した状態において、ガスケット３０の係止部３３は、ビード状のシール面３３ａが発電体１０の膜−電極複合体１１の縁部１１ａに適当なつぶし代で密接されると共に、その反対側の凸面状のシール面３３ｂが、隣接する燃料電池セル１のセパレータ２０に適当なつぶし代で密接される。このため、ビード状のシール面３３ａにヘタリを生じても、凸面状のシール面３３ｂの圧縮反力によって、係止部３３はビード状のシール面３３ａ側の面３３ｃ全体が膜−電極複合体１１の縁部１１ａに密接されることになり、良好な密封性が維持される。
【００４１】
次に図６は、本発明に係る第三の形態の燃料電池セルを示す組み立て前の状態の部分断面図、図７は、同じく第三の形態の燃料電池セルを示す組み立て状態の部分断面図である。
【００４２】
この第三の形態の燃料電池セル１において、先に説明した第一の形態と異なるところは、ガスケット３０の係止部３３のうち、発電体１０の膜−電極複合体１１に密接されるシール面３３ａをフラットに形成し、これと反対側のシール面３３ｂを、発電体１０の上面（他側のガス拡散層１３の上面）より高く隆起したかまぼこ型の凸面状に形成したことにある。その他の部分は、基本的に第一の形態と同様に構成されている。
【００４３】
この形態による燃料電池セル１も、基本的には第一の形態と同様の効果を奏するものである。そして、図１のように積層した状態において、ガスケット３０の係止部３３は、平坦なシール面３３ａが発電体１０の膜−電極複合体１１の縁部１１ａに適当な面圧で密接されると共に、その反対側の凸面状のシール面３３ｂが、隣接する燃料電池セル１のセパレータ２０に適当なつぶし代で密接される。このため、発電体１０の膜−電極複合体１１の縁部１１ａとこれに対向するセパレータ２０との間の隙間が、ガスケット３０の係止部３３で埋められた状態になるので、良好な密封性が維持される。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池セル
１０  発電体
１１  膜−電極複合体
１１ａ，１２ａ，１３ａ，２０ａ  縁部
１２，１３  ガス拡散層
２０  セパレータ
３０  ガスケット
３１  基部
３１ａ，３１ｂ  谷部
３２  主シールリップ
３３  係止部
３３ａ，３３ｂ  シール面
３４  接着剤
【図１】
2010177009.tif 000003
【図２】
2010177009.tif 000004
【図３】
2010177009.tif 000005
【図４】
2010177009.tif 000006
【図５】
2010177009.tif 000007
【図６】
2010177009.tif 000008
【図７】
2010177009.tif 000009
【図８】
2010177009.tif 000010
【図９】
2010177009.tif 000011