(57)【要約】      （修正有）【課題】気密性に優れたコンパクトなシール部材を用いることにより、高信頼性かつ低コストの高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、アノード側セパレータ板１０およびカソード側セパレータ板２０において、それぞれアノード側シール部材３６およびカソード側シール部材４６を具備し、これらシール部材と高分子電解質膜１が協働して、ガス流路からセル外部へガスが漏れるのを防止するアノード側ガスシール部およびカソード側ガスシール部を有する。両ガスシール部材は、シール部の対応する部分において、一方はシール部に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方はシール部に面状に接していることによりシールを行う。【選択図】図１２
2010092876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）水素イオン伝導性高分子電解質膜、並びに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる膜電極接合体、
（２）各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記燃料ガス用マニホールド孔に連絡されてアノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側セパレータ板、
（３）各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記酸化剤ガス用マニホールド孔に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータ板、
（４）前記アノード側セパレータ板のアノード側表面に設けられたアノード側シール部材、ならびに
（５）前記カソード側セパレータ板のカソード側表面に設けられたカソード側シール部材を具備し、
（６）前記膜電極接合体をアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板により圧力下で挟んで構成されるセルが、前記アノード側シール部材、カソード側シール部材および高分子電解質膜が協働して、前記燃料のガス流路から外部へガスが漏洩するのを防止するアノード側ガスシール部および酸化剤のガス流路から外部へガスが漏洩するのを防止するカソード側ガスシール部を有し、
（７）前記両ガスシール部材は、前記両ガスシール部の対応する部分において、一方は当該シール部に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方はシール部に面状に接している
ことを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記高分子電解質膜が各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を有し、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびにアノードと各マニホールド孔とを隔離する第２のアノード側シール部を有し、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびにカソードと各マニホールド孔とを隔離する第２のカソード側シール部を有し、
前記各シール部において、前記両シール部材は、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材が、前記高分子電解質膜に面状に接している
請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記高分子電解質膜が各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を有し、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびにアノードと酸化剤ガス用マニホールド孔とを隔離する第２のアノード側シール部を有し、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびにカソードと燃料ガス用マニホールド孔とを隔離する第２のカソード側シール部を有し、
前記各シール部において、前記両シール部材は、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材が、前記高分子電解質膜に面状に接している
請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜は、アノードおよびカソードを覆うに十分な大きさを有するが、前記各マニホールド孔には接しないサイズを有するものであり、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび燃料ガス用マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびに前記第１のアノード側シール部とともに前記高分子電解質膜の外周を囲む第２のアノード側シール部を有し、前記第１のアノード側シール部はアノードを囲む部分においては前記高分子電解質膜に接しており、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび酸化剤ガス用マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびに前記第１のカソード側シール部とともに前記高分子電解質膜の外周を囲む第２のカソード側シール部を有し、前記第１のカソード側シール部はカソードを囲む部分においては前記高分子電解質膜に接しており、
前記各シール部は、不可避な部分を除いて相互に相対応する位置にあり、前記両シール部材は、前記シール部において、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜を介してまたは直接に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜または他方のシール部材に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材は当該部分に面状に接している
請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記一方のシール部材は、第１のシール部において前記高分子電解質膜に接していない部分および第２のシール部におけるリブの高さが、第１のシール部において前記高分子電解質膜に接している部分の高さより高い請求項４の高分子電解質燃料電池。
【請求項６】
前記一方のシール部材の有するリブが、アノードまたはカソードを囲む部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型である請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記一方のシール部材がカソード側シール部材であり、このカソード側シール部材が、
（ａ）前記酸化剤ガスの流路およびこれに連なる一対のマニホールド孔を囲んで閉ループを構成する帯状の第１の部片、
（ｂ）前記一対の燃料ガス用マニホールド孔をそれぞれ囲んで閉ループを構成する一対の帯状の第２の部片、および
（ｃ）第１の部片および第２の部片を連結する帯状の第３の部片からなり、（ｄ）第１の部片が内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型であり、第２の部片が内側が厚く、外側が薄くなる断面をもつくさび型である
請求項６の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記シール部材が、樹脂フィルム、前記樹脂フィルムのセパレータ板側に設けられた粘着剤の層、および前記粘着剤の層と反対側に設けられたゴム層の三層構造からなる請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
電極とガスシール部材との間のクリアランスに基づく圧力損失Ｐｃと電極に対応するガス流路で生じる圧力損失Ｐｆとの比Ｐｃ／Ｐｆが０．９より大きい請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記カソード側シール部材のカソードを囲む部分とカソードとの間に生じる片側クリアランスｃｌとそのクリアランス部の水力直径ｄが次式（１）：
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ （１）
ただし、
ｌ：片側クリアランス部の長さ
ｄ：片側クリアランス部の水力直径
Ｌ：カソード側セパレータ板の１パス当たりのガス流路の長さ
Ｄ：カソード側セパレータ板の１パス当たりのガス流路の水力直径
Ｐ：カソード側セパレータ板当たりのガス流路のパス数
水力直径ｄ＝（クリアランス部の断面積）÷（クリアランス部の断面部分の周長）×４
を満たす請求項６の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
さらに片側クリアランスｃｌが次式（２）：
０．２５ｍｍ＜ｃｌ （２）
を満たす請求項１０の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板の少なくとも一方の主面が、シール部材により覆われている請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記シール部材が、前記セパレータ板上に成形されている請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１４】
前記シール部材が、前記セパレータ板に嵌合されている請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
前記シール部材が、前記セパレータ板に接着している請求項１の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【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等に使用する高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、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により、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記電極は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガス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、これを、ＭＥＡ（電解質膜・電極接合体）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板は、電極面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を有する。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
この溝に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板上の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。また、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００５】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するためには、冷却水等で冷却する必要がある。そこで通常、１〜３セル毎に冷却水用の流路を設ける。通常は、セパレータ板の背面に冷却水用の流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板とを交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００６】
このような高分子電解質型燃料電池のガスケットは、セパレータ板と電極との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性、および十分な締め代を有することが必要である。このため、従来より、樹脂やゴム等からなるシート状のガスケットや、ゴムからなるＯリング等が用いられている。
また、最近ではスタックの締結荷重を低減して、構造部材の軽量化、簡素化、低コスト化を行うため、ガスケットの荷重を低減する試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている（例えば、特開２００２−１４１０８２号公報）。また、組み立て性を向上するため、ガスケットをセパレータ板側に構成した試みも行われている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
従来のＯリング型のガスケットを用いた燃料電池におけるガスケット付近の縦断面図を図１３に示す。アノード側セパレータ板２１０およびカソード側セパレータ板２２０に設けられたＯリング用溝２３６ａ、２４６ａには、それぞれＯリング２３６、２４６が備えられている。そして、Ｏリング２３６で電解質膜２３１をカソード側セパレータ板２２０に押しつけ、Ｏリング２４６で電解質膜２３１をアノード側セパレータ板２１０に押しつけることにより膜とセパレータ板との間がシールされている。２３２ａはアノード、２３２ｂはカソード、２１２ｂは燃料ガスの流路、２２３ｂは酸化剤ガスの流路をそれぞれ表す。
このように、Ｏリング型のガスケットによるシールを２カ所で行っているため、シールに必要な部分が大型化してしまうという問題がある。
また、内部マニホールド型セパレータ板の場合、ガスシール部がマニホールドから電極部まで達するため、電解質膜がマニホールドを覆う大きさである必要があり、これによりコストがかかる。さらに、電解質膜の厚みが２５〜５０μｍ程度であるため、膜サイズが大きいほど組み立て時のハンドリングが困難になる。
【０００８】
一方でコスト低減、ハンドリング向上、および強度向上のために電解質膜のサイズを小さくし、ある程度剛性のある保護膜でそれを覆う構成とした単位電池を構成する場合、電解質膜の厚さ分の段差が生じるためシール性が低下してしまうという問題がある。さらに、ガスケットに上述のようなＯリングを用いた場合、ガスケット自体に剛性がないため、電池スタックの組み立て時に細いＯリングをねじれなく組み付ける工程で時間を要し、製造コストがかかるという問題がある。
また、セパレータ板は導電材からなるため、組立工程において導電性を有する異物の混入等により、ＭＥＡを挟むセパレータ板同士が短絡する可能性がある。また、セパレータ板の反りや歪み、もしくは積層電池の組み付け時に生じる歪み等によりセパレータ板間で短絡する可能性がある。さらに、組み立て後の積層電池と断熱材との間に導電性を有する異物等が入ることによりＭＥＡを挟むセパレータ板同士が短絡する可能性がある。
【０００９】
さらに、Ｏリングによるシールの場合、積層電池を組み付ける際、セパレータを下に置き、その上にＭＥＡを置き、その上にセパレータあるいはガスケットとセパレータを重ねるというように、これら部品を積み重ねていく工程がとられる。その際、ＭＥＡの上に置くガスケットあるいはセパレータは、組み付け治具のガイドにより組み付けられる。しかし、各部品には寸法誤差があり、特にガスケットとＭＥＡの間のクリアランスが寸法誤差を吸収するに十分大きくないと、組み付け性を確保できない。そのため、ガスケットと電極との間にクリアランスが生じ、そこを反応ガスが通り、セパレータのガス流路をバイパスすることとなる。
【００１０】
ＭＥＡやガスケットの組み付け誤差等で電極とガスケット間のクリアランスは各セル毎にばらつきが生じ、これにより各セル間の圧力損失がばらつきを生じることになる。各セル間に圧力損失のばらつきが生じると、積層電池においては、各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガスの流量にばらつきが生じる。その結果、電池性能がばらつき、発電電圧の低下、耐久性の低下、低出力運転時の安定性の低下等の弊害が生じる。これらの症状は、反応ガスの利用率が比較的大きいアノード側で顕著であった。
また、ガスケットと電極間のクリアランスを少なくしようとすると、部品寸法の精度を向上せねばならず、歩留まりの低下、および部品コストの上昇を招く。さらに、組み付け性が困難であることから、組み付け時の信頼性が低く、シール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電解質膜に過大に引っ張り応力、せん断応力が働き、電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こす。
【００１１】
また、近年電池性能を上げるため、供給するガスの加湿度合いを大きくすることが要求されている。酸化剤ガス側では、反応による生成水もあり、電極から速やか、かつ安定的な水の排出が望まれる。従来型のガスケットにより上記反応ガスのバイパスを防ぐために、ガスケットと電極とのクリアランスを小さくし、あるいはほとんどクリアランスを無くすると、電極からの水の排出に大きな圧力が必要となり、システム効率の低下を招くという問題もある。一方、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、低コスト化のため、シール部締結力の低減も課題であり、簡単な構成で効果的なシール構造が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２３１２６４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、上記の問題を解決するため、気密性に優れたコンパクトなシール部材を用いることにより、高信頼性かつ低コストの燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、（１）水素イオン伝導性高分子電解質膜、並びに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる膜電極接合体（以下ＭＥＡで表す）、
（２）各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記燃料ガス用マニホールド孔に連絡されてアノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側セパレータ板、
（３）各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記酸化剤ガス用マニホールド孔に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータ板、
（４）前記アノード側セパレータ板のアノード側表面に設けられたアノード側シール部材、ならびに
（５）前記カソード側セパレータ板のカソード側表面に設けられたカソード側シール部材
を具備する高分子電解質型燃料電池に関する。
【００１５】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、前記ＭＥＡをアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板により圧力下で挟んで構成されるセルが、前記アノード側シール部材、カソード側シール部材および高分子電解質膜が協働して、前記燃料のガス流路から外部へガスが漏洩するのを防止するアノード側ガスシール部および酸化剤のガス流路から外部へガスが漏洩するのを防止するカソード側ガスシール部を有し、
前記両ガスシール部材は、前記両ガスシール部の対応する部分において、一方は当該シール部に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方はシール部に面状に接している。
【００１６】
本発明の好ましい第一の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、
前記高分子電解質膜が各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を有し、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびにアノードと各マニホールド孔とを隔離する第２のアノード側シール部を有し、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびにカソードと各マニホールド孔とを隔離する第２のカソード側シール部を有し、
前記各シール部において、前記両シール部材は、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材が、前記高分子電解質膜に面状に接している。
【００１７】
本発明の好ましい第二の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、
前記高分子電解質膜が各一対の燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を有し、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびにアノードと酸化剤ガス用マニホールド孔とを隔離する第２のアノード側シール部を有し、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび各マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびにカソードと燃料ガス用マニホールド孔とを隔離する第２のカソード側シール部を有し、
前記各シール部において、前記両シール部材は、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材が、前記高分子電解質膜に面状に接している。
【００１８】
本発明の好ましい第三の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜は、アノードおよびカソードを覆うに十分な大きさを有するが、前記各マニホールド孔には接しないサイズを有するものであり、
前記アノード側シール部材が、アノードおよび燃料ガス用マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部、ならびに前記第１のアノード側シール部とともに前記高分子電解質膜の外周を囲む第２のアノード側シール部を有し、前記第１のアノード側シール部はアノードを囲む部分においては前記高分子電解質膜に接しており、
前記カソード側シール部材が、カソードおよび酸化剤ガス用マニホールド孔の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部、ならびに前記第１のカソード側シール部とともに前記高分子電解質膜の外周を囲む第２のカソード側シール部を有し、前記第１のカソード側シール部はカソードを囲む部分においては前記高分子電解質膜に接しており、
前記各シール部は、不可避な部分を除いて相互に相対応する位置にあり、前記両シール部材は、前記シール部において、前記両セパレータ板に挟まれて高分子電解質膜を介してまたは直接に圧接され、その圧接部において一方のシール部材は前記高分子電解質膜または他方のシール部材に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方のシール部材は当該部分に面状に接している。
第三の実施の形態において、前記一方のシール部材は、第１のシール部において前記高分子電解質膜に接していない部分および第２のシール部におけるリブの高さが、第１のシール部において前記高分子電解質膜に接している部分の高さより高いのが好ましい。
【００１９】
本発明の好ましい第四の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、
前記一方のシール部材の有するリブが、アノードまたはカソードを囲む部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型である。
第四の実施の形態において、前記一方のシール部材がカソード側シール部材であり、このカソード側シール部材が、
（ａ）前記酸化剤ガスの流路およびこれに連なる一対のマニホールド孔を囲んで閉ループを構成する帯状の第１の部片、
（ｂ）前記一対の燃料ガス用マニホールド孔をそれぞれ囲んで閉ループを構成する一対の帯状の第２の部片、および
（ｃ）第１の部片および第２の部片を連結する帯状の第３の部片からなり、（ｄ）第１の部片が内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型であり、第２の部片が内側が厚く、外側が薄くなる断面をもつくさび型である
ことが好ましい。
【００２０】
アノード側セパレータ板および／またはカソード側セパレータ板へのシール部材の設置の仕方としては、次のような態様がある。
セパレータ板の主面が、シール部材により覆われる。
シール部材が、セパレータ板上に成形されている。
シール部材が、セパレータ板に嵌合されている。
シール部材が、セパレータ板に接着されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、シール部材のスペースを小さくして、優れた気密性を発揮するので、電池スタックの締結荷重を低減することができる。従って、高信頼性で、かつ低コストの燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２】同セパレータ板の背面図である。
【図３】本発明の実施の形態１のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図４】同セパレータ板の背面図である。
【図５】本発明の実施の形態１のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【図６】図５の６−６線で切った拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１のカソード側シール用複合部材の正面図である。
【図８】図７の８−８線で切った拡大断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の他のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１のさらに他のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【００２３】
【図１１】本発明の積層電池の要部縦断面図である。
【図１２】図１１の積層電池のシール部材付近の拡大断面図である。
【図１３】従来の積層電池のＯリング型のシール部材付近の拡大断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１７】図１６の１７−１７線で切った拡大断面図である。
【図１８】実施の形態２の変形例のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の図１６の１８−１８線に相当するところで切った拡大断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態２のシール部材を備えたカソード側セパレータ板の正面図である。
【図２０】図１９の２０−２０線で切った拡大断面図である。
【００２４】
【図２１】実施の形態２の他の変形例のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の図１９の２１−２１線に相当するところで切った拡大断面図である。
【図２２】図１６のアノード側シール部材における第１および第２のアノード側シール部を示す図である。
【図２３】図１９のカソード側シール部材における第１および第２のカソード側シール部を示す図である。
【図２４】比較例２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２５】比較例２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図２６】本発明の実施の形態２の他のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２７】同セパレータ板端部のリブ付近の拡大断面図である。
【図２８】本発明の実施の形態２のさらに他のアノード側セパレータ板端部のリブ付近の拡大断面図である。
【図２９】実施例１および比較例１の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３０】実施例２および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【００２５】
【図３１】図３１は実施例３および比較例１の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３２】実施例４および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３３】実施例５および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３４】本発明の実施の形態３のカソード側セパレータの正面図である。
【図３５】同カソード側セパレータ板の背面図である。
【図３６】本発明の実施の形態３のアノード側セパレータの正面図である。
【図３７】本発明の実施の形態３のカソード側シール部材の正面図である。
【図３８】本発明の実施の形態３のアノード側シール部材の正面図である。
【図３９】図３７の３９−３９線で切った拡大断面図である。
【図４０】図３９の４０−４０線で切った拡大断面図である。
【００２６】
【図４１】本発明の実施の形態３のシール部材を組み合わせたカソード側セパレータの正面図である。
【図４２】本発明の実施の形態３のシール部材を組み合わせたアノード側セパレータの正面図である。
【図４３】ガス拡散層とシール部材間に生じるクリアランス部を示すモデル図である。
【図４４】本発明の実施例７および比較例３の燃料電池の出力電圧特性を示す図である。
【図４５】本発明の実施例７と比較例４の燃料電池の出力特性を示す図である。
【図４６】本発明の実施例７によるセパレータとシール部材を規制するパラメーターと圧力損失ばらつきの関係を示す図である。
【図４７】本発明の実施例８と比較例４の燃料電池の出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の１つの観点においては、アノード側シール部材、カソード側シール部材、および高分子電解質膜が協働して、セルのガス流路から外部へガスが漏れるのを防止するアノード側ガスシール部およびカソード側ガスシール部を有し、両ガスシール部材は、前記両ガスシール部の対応する部分において、一方は当該シール部に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方はシール部に面状に接していることによりシールを行う点に特徴を有する。
本発明のポイントは、上記のような構成のシール部材を用いることにより、安定した気密性を確保し、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができることを見出した点にある。
【００２８】
本発明の別の観点においては、高分子電解質膜と各セパレータとの間に介在してシール部を構成するシール部材の断面形状を、アノード側シール部材を平面形状とし、カソード側シール部材をカソードを囲む部分においてカソード側に薄く、反対方向に厚い、くさび形状とする。この構成によると、シール部に必要となるスペースを低減するのみならずスタックの締結荷重を低減し、さらには電極とシール部材の間に水排出用兼組み付け性確保のための必要最小限の一定クリアランスを確保することができる。また、セルの組み付けを容易にし、水の低圧損での排出性を確保することが可能となる。
【００２９】
さらに他の観点において、本発明は、シール部材の構成が、セパレータのガス流路の構成、および組み付け性からくる限定要件によって決定されるシール部材と電極の間に生じるクリアランスの水力直径（ｄ）により定義可能であることを見いだしたことに基づいている。
すなわち、カソード側シール部材のカソードを囲む部分とカソードとの間に生じる片側クリアランスｃｌとそのクリアランス部の水力直径ｄが次式（１）を満たすように設計される。さらに好ましくは、式（２）を満足することである。
【００３０】
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ （１）
ただし、
ｌ：片側クリアランス部の長さ
ｄ：片側クリアランス部の水力直径
Ｌ：カソード側セパレータの１パス当たりのガス流路の長さ
Ｄ：カソード側セパレータの１パス当たりのガス流路の水力直径
Ｐ：カソード側セパレータ当たりのガス流路のパス数
水力直径ｄ＝クリアランス部の断面積÷クリアランス部の断面部分の周長×４
【００３１】
０．２５ｍｍ＜ｃｌ （２）
【００３２】
これにより、各部品寸法のばらつき、および組み付け誤差の影響を小さくし、圧力損失のばらつきの少ないセル構成を可能にするシール部材が与えられる。
さらに別の観点において、本発明者らは、実用的に運転が可能な領域が、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比で整理できることを見いだした。すなわち、０．９＜Ｐｃ／Ｐｆとするのが有効である。
【００３３】
シール部材に使用するゴム層については、フッ素ゴムの他ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムなどを使用することができる。粘着剤は、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品などを使用することができる。
【００３４】
以下、本発明を図面を参照して実施の形態により詳細に説明する。ここに用いる図面は構造を説明するものであって、各要素の相対位置や大きさは必ずしも正確ではない。
【００３５】
実施の形態１
アノード側セパレータ板の正面図を図１に、その背面図を図２に示す。
アノード側セパレータ板１０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔１２、酸化剤ガス用マニホールド孔１３、冷却水用マニホールド孔１４、および予備用マニホールド孔１５、ならびに４個の締結用ボルト穴１１を有する。
アノード側セパレータ板１０のアノードに対向する面には、一対の燃料ガス用マニホールド孔１２に連絡されてアノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路１２ｂが設けられている。ガス流路１２ｂは、一本の溝により構成されている。１２ｃは、燃料ガス用マニホールド孔１２に連絡する部分のガス流路を表す。
【００３６】
セパレータ板１０は、その背面に一対の冷却水用マニホールド孔１４を連絡する冷却水用の流路１４ｂが設けられている。流路１４ｂは、並行する二本の溝により構成されている。各一対の燃料ガス用マニホールド孔１２、酸化剤ガス用マニホールド孔１３、および予備用マニホールド孔１５の周りを囲むようにＯリングを設置するためのＯリング用溝１２ａ、１３ａ、および１５ａが設けられている。さらに、冷却水用マニホールド孔１４および冷却水用の流路１４ｂの周りを囲むＯリング用溝１４ａが設けられている。
【００３７】
カソード側セパレータ板の正面図を図３に、その背面図を図４に示す。
カソード側セパレータ板２０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２２、酸化剤ガス用マニホールド孔２３、冷却水用マニホールド孔２４、および予備用マニホールド孔２５、並びに４個の締結用ボルト穴２１を有する。
カソード側セパレータ板２０のカソードに対向する面には、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔２３に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路２３ｂが設けられている。ガス流路２３ｂは、二本の溝により構成されている。２３ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔２３に連絡する部分のガス流路を表す。
セパレータ板２０は、その背面に、一対の冷却水用マニホールド孔２４を連絡する冷却水用の流路２４ｂが設けられている。流路２４ｂは、並行する二本の溝により構成されている。
【００３８】
図５にアノード側シール用複合部材の正面図、図６にその一部の拡大断面図を示す。また、図７にカソード側シール用複合部材の正面図を、図８にその一部の拡大断面図を示す。
上記アノード側セパレータ板１０に接着させるアノード側シール用複合部材３０は、ポリイミドからなるフィルム４ａ、その一方の面にリブ３６ａを有するアノード側シール部材３６、および他方の面に形成されてアノード側セパレータ板１０と接着する粘着層５ａより構成されている。
【００３９】
粘着層５ａには、粘着剤としてポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等を単独または二種以上を組み合わせたものを用いることができる。
前記フィルム４ａおよび粘着層５ａは、アノード側セパレータ板１０における各マニホールド孔と対応する燃料ガス用マニホールド孔３２、酸化剤ガス用マニホールド孔３３、冷却水用マニホールド孔３４、および予備用マニホールド孔３５、ならびにボルト穴３１を有し、アノードと対応する部分は切り欠かれている。
【００４０】
アノード側シール部材３６は、アノードを囲む電極シール部３７と、燃料ガス用マニホールド孔３２、および酸化剤ガス用マニホールド孔３３をそれぞれ囲むマニホールド孔シール部３２ａおよび３３ａと、これらマニホールド孔シール部３２ａおよび３３ａの両端を電極シール部３７に連結するシール部３８ａ、３８ｂおよび３８ｃ、３８ｄとを有する。シール部３８ａ、３８ｂは、アノード側セパレータ板１０における連絡用ガス流路１２ｃの両側を囲み、シール部３８ｃ、３８ｄは、カソード側セパレータ板２０における連絡用ガス流路２３ｃの両側を囲む位置に対応している。アノード側シール部材３６は、さらにマニホールド孔３４および３５をそれぞれ囲むマニホールド孔シール部３４ａおよび３５ａを有する。
前記リブ３６ａは、その断面形状が三角形であり、その底辺がアノード側シール部材３６の主面に含まれ、前記底辺に向かい合う頂点に相当する頂部３６ｂが後述のカソード側シール部材４６に膜を介して当接する。
【００４１】
一方、上記カソード側セパレータ板２０に接着されるカソード側シール用複合部材４０は、ポリイミドからなるフィルム４ｂ、その一方の面に形成された平板状のカソード側シール部材４６、および他方の面に形成されてセパレータ板と接着する粘着層５ｂより構成されている。
前記粘着層５ｂには、粘着剤としてポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等を単独または二種以上を組み合わせたものを用いることができる。
前記フィルム４ｂおよび粘着層５ｂは、カソード側セパレータ板２０における各マニホールド孔と対応する燃料ガス用マニホールド孔４２、酸化剤ガス用マニホールド孔４３、冷却水用マニホールド孔４４、および予備用マニホールド孔４５、ならびにボルト穴４１を有し、カソードと対応する部分は切り欠かれている。
前記カソード側シール部材４６は平板状であり、前記フィルム４ｂおよび粘着層５ｂと同形状である。
【００４２】
上記のアノード側シール用複合部材３０における粘着層５ａ側の面をアノード側セパレータ板１０のアノードと対向する側の面に接着させることにより、アノード側シール部材３６がアノード側セパレータ板１０に固定される。
一方、カソード側シール用複合部材４０における粘着層５ｂ側の面をカソード側セパレータ板２０のカソードと対向する側の面に接着させることにより、カソード側シール部材４６がカソード側セパレータ板２０に固定される。
そして、燃料電池を構成する際には、図１１のように、これらのアノード側シール用複合部材３０を備えたアノード側セパレータ板１０と、カソード側シール用複合部材４０を備えたカソード側セパレータ板２０とでＭＥＡを挟む。ＭＥＡは、水素イオン伝導性高分子電解質膜１と、電解質膜１を挟むアノード２ａおよびカソード２ｂとからなる。図１１において、３は溝１２ａ〜１５ａに設置されたＯリングを表す。
このとき、図１２に示すように、アノード側シール部材３６における頂部３６ｂが、電解質膜１を介してカソード側シール部材４６に当接するように構成される。
このようなアノード側シール部材およびカソード側シール部材を用いることにより、安定した気密を確保しつつ、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができる。
【００４３】
上記に示した燃料電池は、アノード側セパレータ板に接合されたアノード側シール部材およびカソード側セパレータ板に接合されたカソード側シール部材を具備する。これら一対のシール部材は、
（ａ）アノードおよびカソードを囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対の電極シール部、
（ｂ）燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対のマニホールド孔シール部、および
（ｃ）各マニホールド孔とガス流路とを連絡する連絡用ガス流路の両側を囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対の連絡用ガス流路シール部を有する。
そして、前記シール部材は、その一方が各シール部において高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方が高分子電解質膜に面状に接することにより、高分子電解質膜と各セパレータ板間の気密を保持する。
【００４４】
なお、上記構成のアノード側シール用複合部材３０では、アノードと燃料ガス用マニホールド孔３２は、マニホールド孔シール部３２ａおよびアノードを囲む電極シール部３７により隔離されている。同様に、アノードと酸化剤ガス用マニホールド孔３３は、マニホールド孔シール部３３ａおよび電極シール部３７により隔離されている。アノードとマニホールド孔３２、３３とは、図９のようにマニホールド孔シール部３２ａ、３３ａのみにより隔離されていてもよい。また、図１０のようにアノードを囲む電極シール部３７のみにより隔離されていてもよい。
また、上記構成のカソード側シール用複合部材４０は、電極シール部、マニホールド孔シール部および連絡用ガス流路シール部の各シール部を含んだセパレータ板の主面全体を覆う形状であった。しかし、カソード側シール用複合部材４０は、アノード側シール部材３０と向かい合う部分のみで構成されていてもよい。
【００４５】
実施の形態２
図１４にアノード側セパレータ板の正面図を、図１５にカソード側セパレータ板の正面図を示す。
アノード側セパレータ板５０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔５２、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５、ならびに４個の締結用ボルト穴５１を有する。
カソード側セパレータ板６０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔６２、酸化剤ガス用マニホールド孔６３、冷却水用マニホールド孔６４、および予備用マニホールド孔６５、ならびに４個の締結用ボルト穴６１を有する。
また、アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０には、後述するアノード側シール部材５６およびカソード側シール部材６６を配するためのシール部材用溝５０ａおよび６０ａがそれぞれ所定の位置に設けられている。
【００４６】
前記溝５０ａにアノード側シール部材５６を設けたアノード側セパレータ板５０の正面図を図１６に、その一部の拡大断面図を図１７に示す。また、前記溝６０ａにカソード側シール部材６６を設けたカソード側セパレータ板６０の正面図を図１９に、その一部の拡大断面図を図２０に示す。
所定のリブ５６ａを有するアノード側シール部材５６が、アノード側セパレータ板５０のシール部材用溝５０ａに沿って設置されている。
アノード側シール部材５６は、ガス流路５２ｂおよび一対の燃料ガス用マニホールド孔５２の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部を有する。アノード側シール部材５６は、さらに、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部５３ａ、５４ａおよび５５ａと、後述するカソード側セパレータ板６０における連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部５８ｃ、５８ｄとを有する。
【００４７】
前記第１のアノード側シール部は、ガス流路５２ｂの大部分を囲む電極シール部５７、燃料ガス用マニホールド孔５２の外側半分を囲むマニホールド孔シール部５２ａ、並びに連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部５８ａおよび５８ｂからなる。連絡用ガス流路５２ｃは、マニホールド孔５２とガス流路５２ｂとを連絡する。この第１のアノード側シール部は、図２２に斜線を施した部分に相当する。
さらに、アノード側シール部材５６は、シール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、および５９ｄを有する。シール部５９ａは、燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａと酸化剤ガス用マニホールド孔シール部５３ａとを結ぶ。シール部５９ｂは、燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａと冷却水用マニホールド孔シール部５４ａとを結ぶ。シール部５９ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔シール部５３ａと予備用マニホールド孔シール部５５ａとを結ぶ。シール部５９ｄは、冷却水用マニホールド孔シール部５４ａと予備用マニホールド孔シール部５５ａとを結ぶ。
【００４８】
第２のアノード側シール部は、各マニホールド孔シール部５３ａ〜５５ａ、各マニホールド孔シール部間を連結する各シール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃおよび５９ｄからなり、このうち、第１のアノード側シール部における燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａとともにマニホールド孔５３〜５５より内側で閉ループを構成している部分に相当する。
【００４９】
一方、上記アノード側セパレータ板に対向する面が平面状であるカソード側シール部材６６が、カソード側セパレータ板６０のシール部材用溝６０ａに沿って設置されている。
カソード側シール部材６６は、ガス流路６３ｂおよび一対の酸化剤ガス用マニホールド孔６３の外周を囲んで一つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部と、燃料ガス用マニホールド孔６２、冷却水用マニホールド孔６４、および予備用マニホールド孔６５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部６２ａ、６４ａおよび６５ａと、上記アノード側セパレータ板５０における前記連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部６８ａ、６８ｂとを有する。
【００５０】
前記第１のカソード側シール部は、ガス流路６３ｂの大部分を囲む電極シール部６７、酸化剤ガス用マニホールド孔６３の外側半分を囲むマニホールド孔シール部６３ａ、およびマニホールド孔６３とガス流路６３ｂとを連絡する連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部６８ｃ、６８ｄからなる。この第１のカソード側シール部は、図２３に斜線を施した部分に相当する。
さらに、カソード側シール部材６６は、シール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、およびシール部６９ｄを有する。シール部６９ａは、前記燃料ガス用マニホールド孔シール部６２ａと酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａとを結ぶ。シール部６９ｂは、燃料ガス用マニホールド孔シール部６２ａと冷却水用マニホールド孔シール部６４ａとを結ぶ。シール部６９ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａと予備用マニホールド孔シール部６５ａとを結ぶ。シール部６９ｄは、冷却水用マニホールド孔シール部６４ａと予備用マニホールド孔シール部６５ａとを結ぶ。
【００５１】
第２のカソード側シール部は、各マニホールド孔シール部６２ａ、６４ａおよび６５ａ、各マニホールド孔シール部間を連結する各シール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、および６９ｄからなり、このうち、第１のカソード側シール部における酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａとともに、マニホールド孔６２、６４、６５の内側で閉ループを構成している部分に相当する。
そして、燃料電池を構成する際に、上記アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０をＭＥＡの両側に配置させたときに、アノード側シール部材５６における前記リブ５６ａの頂部５６ｂが電解質膜を介してカソード側シール部材６６に当接するように構成される。
このようなシール部材を用いることにより、安定した気密性を確保しつつ、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、セパレータ板よりも一回り小さいサイズの高分子電解質膜の使用を可能にする。図１６において、高分子電解質膜の外形は点線で示されている。このようなサイズの高分子電解質膜を用いると、シール部５８ａ、５８ｂと高分子電解質膜との接触部に隙間が生じ、第１のアノード側シール部の外側へ燃料ガスが漏れる。この漏れたガスがセル外へ漏れるのを防止するのが第２のアノード側シール部である。この外部へのガスの漏れを防止するのに必須の第２のアノード側シール部は、図２２に、第１のアノード側シール部の外側に示されている。
【００５３】
また、シール部６８ｃ、６８ｄと高分子電解質膜との接触部に隙間が生じ、第１のカソード側シール部の外側へ酸化剤ガスが漏れる。この漏れたガスがセル外へ漏れるのを防止するのが第２のカソード側シール部である。この外部へのガスの漏れを防止するのに必須の第２のカソード側シール部は、図２３に、第１のカソード側シール部の外側に示されている。
さらに、この第２のアノード側シール部および第２のカソード側シール部は、ガス流路に連絡されるマニホールド孔以外のマニホールド孔よりも内側を囲んでいるため、燃料電池内部でガスがクロスリークすることがない。
【００５４】
このように、図１６中の点線部分に示すようなサイズの小さい高分子電解質膜を用いても、本実施の形態のアノード側シール部材を備えたアノード側セパレータ板およびカソード側シール部材を備えたカソード側セパレータ板を用いることにより、安定した気密性が確保できる。また、高分子電解質膜のサイズを小さくできるため、さらにスタックの締結荷重の低減が可能となる。
【００５５】
上では、アノード側シール部材５６の各シール部を構成するリブ５６ａは、それぞれ高さが同じものとして説明した。しかし、高分子電解質膜に接しないリブの高さは、高分子電解質膜に接するリブの高さより、高分子電解質膜の厚さだけ高くした方がよりシール効果を高めることができる。
図１８は、そのような実施の形態におけるアノード側シール部材付きセパレータ５０を図１６の１８−１８線に相当するところで切った拡大断面図を表している。シール部材５６のリブ５６ａのうち、図１６に点線で示すサイズの高分子電解質膜１に接する部分は５６ａ−１で表し、高分子電解質膜に接しない部分は５６ａ−２で表している。リブ５６ａ−２は、高分子電解質膜の厚さだけリブ５６ａ−１より高い。リブ５６ａ−１とリブ５６ａ−２とは、高さが順次高くなる部分５６ａ−３によりつながっている。
リブ５６自身の高さを高くする代わりに、リブのベースとなる部分の高さ（厚み）を高くすることにより、リブが高くなるようにしてもよい。
【００５６】
前記のアノード側シール部材のリブの高さを変える代わりにカソード側シール部材の高さ（厚さ）を変えてもよい。図２１は、そのようなシール部材を備えたカソード側セパレータを図１９の２１−２１線に相当するところで切った拡大断面図を表している。シール部材６６のシール部６８ｄのうち、図１６に点線で示すサイズの高分子電解質膜１に接する部分は６８ｄ−１で表し、高分子電解質膜に接しない部分は６８ｄ−２で表している。部分６８ｄ−２は、高分子電解質膜の厚さだけ６８ｄ−１より高い。部分６８ｄ−１と６８ｄ−２とは、高さが順次高くなる部分６８ｄ−３によりつながっている。他のシール部についても高分子電解質膜に接しないところは高分子電解質膜に接するところより高さを高くしている。
【００５７】
なお、上述の両シール部材には、相対応しない部分（図１６中のアノード側シール部材の酸化剤ガス用マニホールド孔シール部および電極シール部における酸化剤ガス用マニホールドとアノードを隔離する部分、ならびに図１９中のカソード側シール部材の燃料ガス用マニホールド孔シール部および電極シール部における燃料ガス用マニホールド孔とカソードを隔離する部分）がある。しかし、燃料電池スタックを構成する際には、弾性を有するシール部材が、両セパレータ板により適当な圧力で押さえつけられるため、シール部材が相対応していなくても、シール部材の片方が直接セパレータ板に当接することによりシールできる。
また、上述の相対応しない部分にカバープレート等の部材を用い、当該部分をシール部材と対応させてシールするようにしてもよい。例えば、図１６の場合では、一対のシール部５８ａ、５８ｂの間におけるカソード側シール部材と相対応する位置に、連絡用ガス流路５２ｃの上方を覆うカバープレートを設けることができる。図１９の場合では、一対のシール部６８ｃ、６８ｄの間におけるアノード側シール部材と相対応する位置に、連絡用ガス流路６３ｃの上方を覆うカバープレートを設けることができる。
【００５８】
シール部材用溝へのシール部材の設置方法としては、セパレータ板の前記溝部にシール部材を一体に成形する方法やあらかじめ成形したシール部材を前記溝に嵌合する方法が挙げられる。
図２６および図２７は、他のアノード側シール部材を備えたアノード側セパレータ板５０を示す。このシール部材７６は、図１４と同様のアノード側セパレータ板５０の溝部５０ａに嵌合してセパレータと一体に結合されている。シール部材７６のシール部材５６と異なるところは、以下に示す第１のアノード側シール部に囲まれた部分、マニホールド孔５３、５４および５５、並びに締結用ボルト穴５１を除いて、セパレータ板５０の主面を覆っていることである。シール部材７６は、図１６に示すシール部材５６のリブ５６ａと同じ位置にリブ７６ａを有する。図２６では、リブ７６ａはその頂部７６ｂに相当する部分が１本の線で表されている。このシール部材７６により、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ板同士が接触して短絡が生じるのを防止することができる。
【００５９】
アノード側シール部材７６は、ガス流路５２ｂおよび一対の燃料ガス用マニホールド孔５２の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部と、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部７３ａ、７４ａおよび７５ａと、カソード側セパレータ板６０における連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部７８ｃ、７８ｄとを有する。アノード側シール部材７６は、さらにマニホールド孔シール部７２ａと７３ａをつなぐシール部７９ａ、マニホールド孔シール部７２ａと７４ａをつなぐシール部７９ｂ、マニホールド孔シール部７３ａと７５ａをつなぐシール部７９ｃ、およびマニホールド孔シール部７４ａと７５ａをつなぐシール部７９ｄを有する。
前記第１のアノード側シール部は、ガス流路５２ｂの大部分を囲む電極シール部７７、燃料ガス用マニホールド孔５２の外側半分を囲むマニホールド孔シール部７２ａ、およびマニホールド孔５２とガス流路５２ｂとを連絡する連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部７８ａ、７８ｂからなる。これらのシール部は、図１６のシール部材のシール部に対応する位置にある。
また、図２８に示すように、アノード側セパレータ板５０の主面だけでなくさらに側面を覆い、セパレータ板５０に対して図１６と同じ位置にリブ８６ａを備えたアノード側シール部材８６を設置してもよい。８６ｂはリブ８６ａの頂部を表す。これにより、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ板間の短絡および積層電池の組立後における短絡を防止することができる。
【実施例１】
【００６０】
（ｉ）セパレータ板の作製
等方性黒鉛板を用いて機械加工により実施の形態１の図１および図２に示すアノード側セパレータ板１０ならびに図３および図４に示すカソード側セパレータ板２０を作製した。このとき、セパレータ板の厚さは３ｍｍ、ガスおよび冷却水用の流路の溝は、３ｍｍピッチで溝幅２ｍｍとした。
【００６１】
（ii）シール部材の作製
図５〜図８に示す実施の形態１と同様の粘着層を備えたシール用複合部材３０、４０を作製した。
金型に厚さ１００μｍのポリイミドフィルム４ａを設置した。金型を締めた後、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でフッ素ゴムを射出成形することにより、ポリイミドフィルム４ａ上に所定のシール部材３６を形成した。同様に、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム４ｂ上に所定のシール部材４６を形成した。二次架橋は２００℃、１０時間の条件で行った。その後、ブチルゴムからなる厚さ２５μｍの粘着層５ａおよび５ｂをポリイミドフィルム４ａおよび４ｂ上にそれぞれ転写接合し、粘着層５ａおよび５ｂの表面をポリプロピレン製の離型フィルムで覆った。
【００６２】
このとき、アノード側シール部材３６の厚さは１００μｍ、その幅は３ｍｍとし、前記シール部材３６主面からのリブ３６ａの高さは３００μｍとした。一方、カソード側シール部材４６の厚さは、１２５μｍとした。また、アノード側およびカソード側シール用複合部材３０、４０における燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水および予備用のマニホールド孔３２〜３５および４２〜４５、締結用ボルト穴３１、４１、ならびに電極と対向する部分は抜き型で抜いた。
上記で得られた粘着層を備えたシール用複合部材３０および４０をそれぞれセパレータ板１０および２０に設置し、ホットプレスによりそれぞれ圧着させた。ホットプレスの条件は、温度が１００℃、プレス荷重が２０００ｋｇｆ、加圧時間が１分間とした。
【００６３】
（iii）ＭＥＡの作製
アセチレンブラック系のカーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比４：１の割合で担持させ、電極用の触媒粉末を得た。この触媒粉末をイソプロパノール中に分散させたものと、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール中に分散させたものとを混合し、電極用ペーストを得た。スクリーン印刷法により、この電極用ペーストを原料として、厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒層を形成し、電極を得た。この触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００６４】
これらの電極は、正極および負極共に同一構成とした。印刷した触媒層を内側にして、面積が１００ｃｍ2の一対の電極で水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟み、ホットプレスすることにより、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚さに薄膜化したものを用いた。
前記電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同様とし、高分子電解質膜には後述する一対の燃料ガス用マニホールド孔、冷却水用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔に対応する穴を打ち抜き型により形成した。
【００６５】
（iv）積層電池の作製
積層電池の要部縦断面図を図１１に示す。
上記で得られたアノード側シール用複合部材３０を備えたアノード側セパレータ板１０およびカソード側シール用複合部材４０を備えたカソード側セパレータ板２０で、水素イオン伝導性高分子電解質膜１および前記電解質膜１を挟む一対のアノード２ａ、およびカソード２ｂからなるＭＥＡを挟み単位電池を構成した。このとき、アノード側セパレータ板１０のＯリング溝１２ａ〜１５ａにＯリング３を設置した。そして、単電池を積層する際には、セパレータ板１０の冷却水用の流路１４ｂを有する面および隣接する単電池のセパレータ板２０の冷却水用の流路２４ｂを有する面を向き合うように重ねることにより、冷却部を設けた。
【００６６】
このようにして単電池を５０セル積層し、その積層体の両端に集電板と絶縁板とを介してステンレス鋼製の端板を配し、締結ロッドにより７００ｋｇｆの締結荷重で積層体を締結することにより積層電池を作製した。この積層電池を電池Ａとした。
このとき、感圧紙でＭＥＡとセパレータの面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。この結果、シール部材における反力は２００ｋｇｆであることがわかった。
【００６７】
電池Ａについてガスのリークチェックを行った。出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量を調べた。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、電池Ａは流体シール性に問題のないことが確認された。
【００６８】
《比較例１》
等方性黒鉛板を用いて機械加工により、図１３に示すような従来のＯリング溝２３６ａ、２４６ａを備えた一対のセパレータ板２１０、２２０を作製した。このとき、Ｏリング溝２３６ａ、２４６ａの幅は１．５ｍｍ、深さは０．８ｍｍとした。そして、所定の金型を用いて圧縮成形によりＯリング２３６、２４６を作製した。なお、Ｏリングにはゴム硬度６０のフッ素ゴムを用いた。
実施例１のセパレータ板１０、２０およびシール用複合部材３０、４０の代わりに、上記のＯリング２３６、２４６およびセパレータ板２１０、２２０を用いた以外は、実施例１と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｂとした。なお、これ以外のスタック構成要素はＯリング形状に合わせてサイズ変更を行った以外は、実施例１と同一の構成とした。
【００６９】
電池Ｂについて実施例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。実施例１と同様に空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
実施例１の電池Ａおよび比較例１の電池Ｂを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、どちらの電池も電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
さらに、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で電池Ａおよび電池Ｂの出力特性を調べた。その評価結果を図２９に示す。本発明の実施例１の電池Ａは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【実施例２】
【００７０】
等方性黒鉛板を用いて機械加工により実施の形態２における図１４および１５のアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を作製した。このとき、アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０に設けられたシール部材用溝５０ａ、６０ａの幅は４ｍｍ、深さは１ｍｍとした。また、セパレータ板５０、６０の厚さは３ｍｍ、両面に形成された流路の溝は、３ｍｍピッチで溝幅２ｍｍとした。
【００７１】
次に上記のセパレータ板５０、６０に所定のシール部材を成形して、実施の形態２における図１６および図１７に示すシール部材５６を備えたアノード側セパレータ板５０および図１９および図２０に示すシール部材６６を備えたカソード側セパレータ板６０をそれぞれ作製した。
セパレータ板へのシール部材の成形は、金型にセパレータ板を設置し金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2でフッ素ゴムを射出成形することにより行った。このとき、二次架橋は２００℃、１０時間の条件で行った。
アノード側シール部材５６の厚さは、アノード側セパレータ板５０の表面から１００μｍとし、その幅は４．５ｍｍとした。そして、アノード側シール部材５６のリブ５６ａの高さは、前記シール部材５６の主面から３００μｍとした。一方、カソード側シール部材６６の厚さは、カソード側セパレータ板６０の表面から２５０μｍとし、その幅は４．５ｍｍとした。
【００７２】
高分子電解質膜を、セパレータ板よりも一回り小さい図１６中の点線部分に示すようなサイズとした以外は、実施例１と同様の方法によりＭＥＡを作製した。
上記で得られたセパレータ板およびＭＥＡを用いて、実施例１と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｃとした。
電池Ｃについて実施例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。
【００７３】
《比較例２》
図２４に示すように、図１６のシール部材５６におけるシール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃおよび５９ｄを有しない他はシール部材５６と同じ構成のシール部材９６を備えたアノード側セパレータ板９０を実施例２と同様の方法により作製した。一方、図２５に示すように、図１９のシール部材６６におけるシール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃおよび６９ｄを有しない他はシール部材６６と同じ構成のシール部材１０６を備えたカソード側セパレータ板１００を実施例２と同様の方法により作製した。これらのセパレータ板を用いた以外は、実施例２と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｄとした。電池Ｄについて実施例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。
【００７４】
シール部材９６のリブ９６ａは電解質膜（図２４中の点線部分）と接しない部分を有するから、ガス圧力５ｋＰａのとき、それらの部分でガスのリークが検出された。これより、比較例２の電池Ｄに比べて実施例２の電池Ｃの方がシール性が優れていることがわかった。
【００７５】
電池Ｃおよび電池Ｄを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、本発明の実施例２の電池Ｃでは５０Ｖ、比較例２の電池Ｄでは４２．５Ｖの開放電圧を得た。このとき、比較例２の電池Ｄではガスのクロスリークが生じていることが確認された。
さらに、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で電池Ｃおよび電池Ｄの出力特性を調べた。その評価結果を図３０に示す。比較例２の電池Ｄに対して実施例２の電池Ｃの方が優れた性能を有することがわかった。
【実施例３】
【００７６】
アノード側シール部材５６のリブ５６ａの高さを、図１８に示したように、高分子電解質膜に接する部分５６ａ−１は主面から３００μｍ、高分子電解質膜に接しない部分５６ａ−２は主面から３５０μｍとし、両者をつなぐ部分５６ａ−３はなだらかな傾斜を有するようにした。この他は実施例２と同様にして電池Ｃ２を作製した。
【００７７】
本実施例の電池Ｃ２と実施例２の電池Ｃについて、実施例１と同様であるが計測圧力のみ変更してシール性の比較試験を行った。その結果、電池Ｃ２では３００ｋＰａまでリークが計測されなかったが、電池Ｃでは２００ｋＰａでマニホールドから外へリークが計測された。これにより実施例３の電池Ｃ２は、よりシール性に優れていることが判明した。
これは、高分子電解質膜の外側に位置するシール部位のシール締め代を膜厚分厚くしていることに起因している。ここで、シール締め代とは、シール部にシールのための十分な局部圧力を発揮するに必要な、圧縮されるべき厚さをいう。さらに膜厚分の段差が生じる部位については、シール高さをなめらかにつなぐことで、シール部位全域にわたって安定したシール締め代を確保することが可能になり、シール性が向上したことによる。
【実施例４】
【００７８】
実施例２と同様にアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を作製した。実施例２と同様のアノード側シール部材５６およびカソード側シール部材６６を別途作製した。
上記で作製したシール部材５６、６６をセパレータ板５０、６０の溝５０ａ、６０ａに嵌合させることにより、セパレータ板５０、６０にシール部材５６、６６をそれぞれ設けた。このとき、従来のＯリング型のガスケットに対して本実施例のシール部材は幅があるため、組み付け時のハンドリングは良好であった。
【００７９】
上記で得られたアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を用いた以外は、実施例２と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｅとした。
電池Ｅについて実施例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
電池Ｅを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
【００８０】
この電池Ｅについて実施例１と同様の条件で出力特性を調べた。この評価結果を比較例１の電池Ｂとともに図３１に示す。本実施例の電池Ｅは、比較例１の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
また、シール部材とセパレータ板との接着性を上げるために、本実施例のシール部材におけるセパレータ板との接合面に、ブチルゴムからなる粘着剤を塗布してもよい。このシール部材を用いた場合でも、本実施例と同等の性能が確認された。
このとき、シール部材とセパレータ板の一体化品に激しく振動を与えてもシール部材とセパレータ板が分離することはなかった。また、組立時に加えられる振動等の衝撃はセパレータ板とシール部材との一体化品に対して問題がないことが確認された。
【実施例５】
【００８１】
実施の形態２の図２６および図２７に示すアノード側シール部材７６を実施例２と同様の方法によりアノード側セパレータ板５０に設けた。
このとき、アノード側シール部材７６の厚さはアノード側セパレータ板５０の表面から１００μｍとし、シール部材７６上に設けたリブ７６ａの高さは前記シール部材７６の主面から３００μｍとした。
なお、組み立て工程の中でセパレータ板にシール部材を覆わない箇所が必要であれば、実質的に全面を覆っているガスケットの一部を削除したり、成形時にあらかじめシール部材を成形しない箇所を設けてもよい。
【００８２】
上記のアノード側シール部材を用いた以外は、実施例２と同様の方法で積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｆとした。
電池Ｆについて実施例１と同様の条件でガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
電池Ｆを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
【００８３】
また、この電池Ｆを実施例１と同様の条件で出力特性を調べた。その評価結果を比較例２の電池Ｄとともに図３２に示す。その結果、比較例２の電池Ｄよりも本実施例の電池Ｆの方が優れた性能を有することが確認された。
さらに、アノード側セパレータ板の主面がシール部材で覆われているため、導電性を有する異物が入っても短絡は起こらなかった。
【実施例６】
【００８４】
実施の形態２における図２８に示すアノード側シール部材８６を実施例２と同様の方法によりアノード側セパレータ板５０に設けた。このとき、アノード側セパレータ板５０の側面に設けられたアノード側シール部材８６の厚さは１００μｍとした。
上記のアノード側シール部材８６を用いた以外は、実施例２と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｇとした。
電池Ｇについて実施例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
【００８５】
電池Ｇを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
この電池Ｇについて実施例１と同様の条件で出力特性を調べた。この評価結果を比較例２の電池Ｄとともに図３３に示す。その結果、本実施例の電池Ｇは、比較例２の電池Ｄよりも優れた性能を有することが確認された。
また、アノード側セパレータ板の主面がシール部材８６で覆われているため、導電性を有する異物が入っても短絡は起こらなかった。さらに、アノード側セパレータ板５０の側面がシール部材８６で覆われているため、積層電池の表面に導電性を有する異物が存在しても短絡は起こらず、積層電池を使用する際に感電する危険性が低減された。
【００８６】
実施の形態３
図３４は本実施の形態による燃料電池のカソード側セパレータ板の正面図、図３５はその背面図、図３６はアノード側セパレータ板の正面図である。
カソード側セパレータ板１１０は、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１、一対の燃料ガス用マニホールド孔１１２、一対の冷却水用マニホールド孔１１３、および締結ボルトを通すための４個のボルト孔１１９を有する。セパレータ板１１０のカソードに対向する面には、一対のマニホールド孔１１１に連なるガス流路１１５を有する。セパレータ板１１０は、背面に、一対の冷却水用マニホールド孔１１３に連なる冷却水の流路１１４を有する。セパレータ板１１０は、背面に、さらに、マニホールド孔１１３および流路１１４を囲むシール部材用の溝１１６、並びに、マニホールド孔１１１および１１２をそれぞれ囲むシール部材用の溝１１７および１１８を有する。セパレータ板１１０は、さらにマニホールド孔１１３とのバランスを保つため、一対のダミーのマニホールド孔１１３Ｂを有する。
【００８７】
アノード側セパレータ板１２０は、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２１、一対の燃料ガス用マニホールド孔１２２、一対の冷却水用マニホールド孔１２３、ダミーのマニホールド孔１２３Ｂ、および締結ボルトを通すための４個のボルト孔１２９を有する。セパレータ板１２０のアノードに対向する面には、一対のマニホールド孔１２２に連なるガス流路１２４を有する。セパレータ板１２０は、図示しないが、背面には、カソード側セパレータ板と同様に、一対の冷却水用マニホールド孔１２３に連なる冷却水の流路、マニホールド孔１２３および冷却水の流路を囲むシール部材用の溝、並びに、マニホールド孔１２１および１２２をそれぞれ囲むシール部材用の溝を有する。
【００８８】
カソード側シール部材１５０は、図３７に示すように、カソード側セパレータ板１１０の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１からガス流路１１５にわたる部分を囲むんで閉ループを構成する細い帯状の部片１５１を有する。カソード側シール部材１５０は、さらに、燃料ガス用マニホールド孔１１２を囲むリング状の部片１５２、部片１５２を部片１５１へ連結する縦の部片１５８および横の部片１５４、冷却水用マニホールド孔１１３およびダミーのマニホールド孔１１３Ｂをそれぞれ囲む相互につながったリング状の部片１５３および１５３Ｂ、ならびに部片１５３および１５３Ｂの端部を部片１５１へ連結する帯状部片１５６および１５７を有する。シール部材１５０は、図３９に示すように、粘着剤の層１６１、樹脂フィルム１６２およびゴム層１６３の三層構造である。そして、部片１５１は、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型である。部片１５２、１５３および１５３Ｂは、内側すなわちマニホールド孔側が厚く、外側が薄い断面を持つくさび型である。
【００８９】
また、部片１５４、１５６、１５７および１５８は同じくくさび型の断面を有する。厚い方は内側、外側いずれでもよいが、内側が厚く、外側が薄い断面を持つようにするのが好ましい。
アノード側シール部材１８０は、図３８に示すように、アノード側セパレータ板１２０のマニホールド孔１２１、１２２、１２３、１２３Ｂおよび孔１２９にそれぞれ連通するマニホールド孔１８１、１８２、１８３、１８３Ｂおよび孔１８９、並びにアノードに対応する切り欠き部１８４を有する。シール部材１８０は、図４０に示すように、シール部材１５０と同様に、粘着剤の層１９１、樹脂フィルム１９２およびゴム層１９３の三層構造であるが、全体に同一厚さの平板からなる。
【００９０】
カソード側セパレータ板１１０は、カソードと対向する面の上に、カソード側シール部材１５０を粘着剤の層を下にして重ね合わせ、ホットプレスにより圧着する。同様に、アノード側セパレータ板１２０は、アノードと対向する面の上に、アノード側シール部材１８０を粘着剤の層を下にして重ね合わせ、ホットプレスにより圧着する。こうしてシール部材を接合したカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板をそれぞれ図４１および図４２に示す。
これらシール部材を接合したセパレータ板により、高分子電解質膜およびこれを挟む一対の電極からなるＭＥＡを挟んで単電池を構成する。隣接する単電池間には、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の背面同士の接合部に冷却部を設ける。前記のセパレータ板間には、図３５に示す溝１１６、１１７および１１８に対応する部分にＯリングを填め込む。この組み立て手順を以下に説明する。
【００９１】
まず、ガイドピンを立てた組み立て用治具をセットし、その上にシール部材が付いたアノード側セパレータ板１２０を置く。次に、ＭＥＡをガイドピンに沿ってセットする。その際アノードのガス拡散層がシール部材１８０の切り欠き部１８４の縁部に乗り上げないよう慎重に組み付ける。
治具にセットされたガイドピンと、組み付けるそれぞれの部品との間にはクリアランスがある。特に、ＭＥＡは組み立てる環境の湿度により大きく寸法が変化するため、クリアランスは大きくとる必要がある。ＭＥＡを安定的に組み付けるには、ガイド部のクリアランスは１ｍｍ必要である。
【００９２】
ＭＥＡをセットした後に、カソード側セパレータ板１１０を組み付ける。セパレータ板は不透明であるため、ＭＥＡのカソードのガス拡散層とシール部材が接する様子を直接観察できないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行う。この際、ＭＥＡのカソードのガス拡散層がカソード側シール部材１５０の中心にセットされることが望ましい。しかし、治具のクリアランス、ＭＥＡの寸法誤差、セパレータ板の寸法誤差の集積により位置ずれが発生する。
従来の平板状のシール部材であれば、想定される位置ずれの上限付近では、ガス拡散層がシール部材に乗り上げ、シール性を確保できない。組み付け性を向上させるため、クリアランスを大きくとれば、ガスがそのクリアランスを通り電極に供給されなくなる。
【００９３】
一方、本発明によるくさび形状断面のシール部材を用いた場合は、寸法ずれによりシール部材１５０の低い部位１６３Ｌにガス拡散層が少し乗り上げても、くさび形状の高い部位１６３Ｈによってシールが行われるため、シール部材１５０の部片１５１の外側へのガス漏れはなく、シール性は確保可能となる。さらに、シール部材がくさび型であるために、シール部材とガス拡散層とのクリアランスは、セパレータ板の平面方向には大きく取れるものの、高さ方向には小さく抑えることができる。従って、ガスの吹き抜け、すなわちガス流路を通らずにクリアランス部を通ることによる発電性能の低下も起こらない。
【００９４】
以上の説明から明らかなように、部片１５１のうち、カソードを囲む部分、すなわち図３７に斜線で示した部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型であることが好ましい。部片１５１のその他の部分は、内側、外側いずれが薄くなるようなくさび型でもよいが、電極を囲む部分と同じように、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつのが好ましい。
【００９５】
本発明によるシール部材を用いた電池の組み立ては、上記のように、ガイドピンを有する治具上に、まずシール部材を接合したアノード側セパレータ板を置き、次いで、ＭＥＡをガイドピンに沿ってセットし、しかる後にカソード側セパレータ板を組み付けるという手順をとる。この手順によれば、アノードのガス拡散層がシール部材１８０の切り欠き部１８４の縁部に乗り上げないよう目視により慎重に組み付けることができる。こうして反応ガスの利用率が大きなアノード側における組み付け誤差による圧力損失のばらつきを少なくすることができる。一方、カソード側では、組み付けに際して、カソードのガス拡散層とシール部材が接する様子を直接観察できないが、くさび型断面のシール部材を用いることにより、組み付け誤差によるガス漏れを阻止することができる。
【実施例７】
【００９６】
アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持した。この触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエタノール分散液を混合し、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に塗布、乾燥し、電極触媒層を形成した。形成後の電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００９７】
このようにして作製した同じ構成のカソードとアノードを、これら電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜に接するようにホットプレスによって接合して、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を１７５μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同じとし、電解質膜には後述する燃料ガス用、冷却水用、および酸化剤ガス用の各マニホールド孔に対応する孔を打ち抜き型により加工した。
【００９８】
本実施例で作製した燃料電池の各構成要素の構造を以下に説明する。
カソード側セパレータ板１１０およびアノード側セパレータ板１２０は、厚さ３ｍｍの気密な等方性黒鉛板に機械加工によりガス流路、マニホールド孔を形成して、上記に説明した構造に作製した。ガス流路および冷却水の流路は、溝幅１．５ｍｍ、ピッチ３ｍｍである。酸化剤ガスの流路は並行する７本の溝、燃料ガスの流路は並行する４本の溝、また冷却水の流路は並行する６本の溝からそれぞれ形成されたサーペンタイン型である。
【００９９】
次に、アノード側シール部材１８０は、一方の面に２５μｍ厚のブチルゴムからなる粘着剤層１９１を有し、他方の面に１２５μｍ厚のフッ素ゴムの層１９３を有する、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム１９２からなるシートを用いた。このシートにマニホールド孔、締結用ボルト孔、および電極に対応する部位（切り欠き部１８４）を抜き型で抜いてシール部材を作製した。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で０．２５ｍｍとなるようにした。
【０１００】
カソード側シール部材１５０は、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム１６２の上に、フッ素ゴム１６３をシールが必要な個所を囲むように成形することにより作製した。フッ素ゴム１６３は、幅が３ｍｍで、高い方の高さが３００μｍ、低い方の高さが５０μｍのくさび型断面形状を持っている。すなわち、実施の形態３で説明したように、部片１５１は、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつようにした。また、部片１５２、１５３および１５３Ｂは、内側が厚く、外側が薄くなるようにした。ポリイミドフィルムへのフッ素ゴムの成形は、金型にポリイミドフィルムをセットして金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2でフッ素ゴムを成型し、二次架橋は２００℃で１０時間行った。その後、２５μｍ厚のブチルゴムからなる粘着剤層１６１をポリイミドフィルムに転写接合し、粘着剤層の面はポリプロピレン製の離型フィルムでカバーした。このシートは、その後抜き型で抜いて、マニホールド孔、締結用ボルト孔、および電極に対応する部位を形成した。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で０．２５ｍｍとなるようにした。
【０１０１】
こうして作製したシール部材１５０および１８０をそれぞれセパレータ板１１０および１２０にセットし、ホットプレスによりシール部材をセパレータ板に圧着させた。このとき温度は１００℃、プレス荷重は２０００ｋｇｆ、加圧時間は１分であった。
【０１０２】
次に、上記に説明したように、ガイドピンを立てた組み立て用治具を準備し、そのガイドピンに沿ってアノード側セパレータ板、ＭＥＡ、カソード側セパレータ板を順に組み付け、単電池を５０セル積層した。ＭＥＡの電極面積は１００ｃｍ2である。このセルスタックを、集電板および絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより７００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。この結果、シール部材での反力は２００ｋｇｆであることがわかった。
【０１０３】
このようにして作製した積層電池についてガスのリークチェックを行った。このときのリークチェックは、流路の出口側マニホールドを締め切り、入口側マニホールドからＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。酸化剤ガス側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。
【０１０４】
《比較例３》
従来の平板状のシール部材を酸化剤ガス側のシールに用いた例を説明する。酸化剤ガス側のシール部材が平板になった以外は実施例７と同じである。実施例７と同様に組み立て治具を用いて単電池を５０セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は２０００ｋｇｆでＭＥＡにかかる面圧が１０ｋｇｆ／ｃｍ2であったため、締結は２０００ｋｇｆで行った。その結果、一部のセルにおいてガスの外部へのリークや酸化剤ガス側から燃料ガス側へのクロスリーク、あるいはその両方が発生し、シール不良が生じた。リークチェック条件は実施例７と同じである。
【０１０５】
この試験を実施後、実施例７の電池と比較例３の電池を分解したところ、両電池ともにＭＥＡのカソード側ガス拡散層がカソード側シール部材の中心から多少ずれて組み付けられていた。実施例７の電池では、シールする部位がシール部材のくさび型断面の高い部位によって行われているため、多少シール部材にガス拡散層が乗り上げても、組み付け時のガス拡散層のずれ範囲ではシール性が確保可能であることがわかった。一方、比較例３の電池では、同様にガス拡散層とシール部材がずれていたが、平板状のシール部材では、一部でもガス拡散層がシール部材に乗り上げるとシール性が損なわれ、シール不良を招いていることがわかった。
【０１０６】
次に、上記比較例３の電池のシール不良を起こしているセルを取り除き、リークチェックにより正常動作が可能な３０セルを選び、その３０セルの積層電池を作製した。これと実施例７の５０セル積層電池について電池性能を以下のようにして評価した。
【０１０７】
これら実施例７の電池および比較例３の燃料電池を７５℃に保持し、７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスをアノードに、６０℃の露点となるように加湿・加温した空気をカソードにそれぞれ供給した。その結果、両電池とも電流を外部に出力しない無負荷時には、実施例７の電池では５０Ｖ、比較例３の電池では３０Ｖの電池開放電圧を得た。クロスリーク、ショート等の不具合がないことが確認された。
【０１０８】
これらの電池を燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2で発電を開始させた。そして、燃料ガスの加湿を露点７０℃と一定にし、空気の加湿度合いを６０℃から５℃刻みで変更し、各条件で２４時間発電させた。各電池の電圧の安定性を図４４に示す。比較例３の積層電池は、酸化剤ガス側の露点が７０℃以上の条件で出力電圧が不安定となり、７５℃の露点では出力電圧の低下が確認された。これに対し実施例７の電池は、７５℃の露点まで安定した出力電圧が確認された。酸化剤ガス側の圧力損失は、比較例３の電池は実施例７の電池に比較し５％高く、７０℃ 以上の露点では圧力損失の振動が確認された。
上で評価した積層電池を分解してセパレータ板のガス流路を確認したところ、比較例３の電池では、カソード側セパレータ板のガス流路には実施例７の電池に比較して多くの水滴が存在していた。
【０１０９】
《比較例４》
比較例３の電池におけるカソード側シール部材とガス拡散層とのクリアランスを片側０．２５ｍｍから１．０ｍｍに拡大した電池を作製した。ガス拡散層とシール部材とのクリアランスを拡大した以外は、比較例３の電池と同じ構成の３０セル積層の電池を作製した。
【０１１０】
この電池を上記と同じ条件で評価したところ、電池開放電圧は３０Ｖであり、酸化剤ガスの露点を変化させた出力特性は、図４５に示す結果を得た。比較例４の電池は、比較例３の電池に比べて露点７５℃まで安定した出力電圧が確認された。ただし、安定した条件での出力電圧の絶対値は、比較例３より低いものであった。酸化剤ガス側の圧力損失の振動は見られなかった。
比較例４の電池を評価後分解し、カソード側セパレータ板のガス流路を観察したところ、実施例７の電池と同等な水滴の存在状況であった。
【０１１１】
固体高分子電解質型燃料電池では、カソード側で発電に伴う生成水が発生する。電池を安定的に発電させるためには、生成水を速やか、かつ安定的に排出することが重要である。生成水の排出が安定的でないと、反応ガスの供給が不安定となり、出力電圧が変動する。また、最悪の場合、反応ガスが供給されないために、電池が転極を引き起こし、電池の不可逆劣化を引き起こすこともある。
【０１１２】
実施例７と比較例３および４の評価、分析結果から、カソード側のガス拡散層とシール部材周囲とのクリアランスが生成水の排出に有効であり、安定した出力電圧を得る効果があることがわかった。
ただし、クリアランスが大きすぎると、電極反応に寄与せずにクリアランス部を通るガスの吹き抜けが大きくなり、出力電圧自体が低下することも確認された。その点、実施例７の電池は、必要かつ性能低下を引き起こさないクリアランスをカソード側に確保するに好適であることが確認された。
実施例７で用いたくさび型断面をもつシール方式は、Ｏ−リングを用いたシール方式に比較し、Ｏ−リングを嵌合する溝の必要性がないため、その分セパレータ板の厚さを薄くし、積層電池をコンパクトにできることは言うまでもない。
【実施例８】
【０１１３】
実施例７と同じＭＥＡ、シール部材およびセパレータ板を用い、実施例７と同様にして２０セル積層した。ただし、電極とシール部材の間の片側クリアランスが表１に示すように５つのパターンのセルスタックを作製した。それぞれのパターンのセルスタックの組み付け性を表２に示す。
【０１１４】
【表１】
2010092876.tif 000003
【０１１５】
以上の各セルスタックを集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより２０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【０１１６】
このようにして作製した積層電池について、実施例７と同じ条件で、ガスのリークチェックを行った。また、リークチェック後の積層電池を分解した。これらの結果も表２に示す。
【０１１７】
【表２】
2010092876.tif 000004
【０１１８】
この結果より、組み付け性、シールの信頼性の観点から、シール部材とガス拡散層とのクリアランスはパターン３以上、すなわち片側クリアランス（ｃｌ）が０．２５ｍｍ以上であることが好ましいことがわかる。パターン３の電池を実施例７と同様の条件で評価したところ、電池開放電圧で２０Ｖが得られ、クロスリーク、ショート等の問題がないことが確認された。さらに、酸化剤ガス側の露点を変えた場合の出力電圧特性は、露点７５℃まで安定した高い出力電圧１４Ｖ（単位セル当たり０．７Ｖ）を得ることが確認された。
【０１１９】
次に、セパレータ板の流路のパターンの違いと、ガス拡散層とシール部材間のクリアランスのパターンの違いで、単電池の圧力損失ばらつきを評価した。流路の形成方法、シール部材の作製方法、セルの組み立て方法、電池部材の構成は上述の方式と同様である。評価を行った組み合わせを表３に示す。圧力損失のばらつきは、常温で反応ガス利用率を４０％とした場合に想定される反応ガス流量に相当するドライ窒素ガスを入口側マニホールドから供給し、入口側マニホールドと出口側マニホールド間の圧力損失を計測した。評価結果を表４および図４６に示す。
【０１２０】
【表３】
2010092876.tif 000005
【０１２１】
【表４】
2010092876.tif 000006
【０１２２】
図４６は、ガス拡散層とシール部材との間に生じるクリアランスと、ガス流路との関係を、圧力損失のばらつき幅に着目して整理したグラフである。パラメーターは、カソード側セパレータ板のガス流路の長さ（Ｌ）、ガス流路の断面積の水力直径（Ｄ）、ガス流路のパス数（Ｐ）、クリアランス部の断面積の水力直径（ｄ）、クリアランス部の長さ（ｌ）で規定される値の比を考案し整理した。その結果、図４６に示すように、圧力損失ばらつきが０．２７を境に急激に減少する傾向を有することがわかった。ここで、ガス流路は１またはそれ以上の溝から構成され、「パス」とはそのガス流路の各溝を表す。
【０１２３】
図４３はガス拡散層とシール部材との間に生じるクリアランス部を示すモデルである。高分子電解質膜２０３を挟むカソード２０１およびアノード２０２の外周に、それぞれカソード側シール部材１５０およびアノード側シール部材１８０が位置する。これらをカソード側セパレータ板１１０とアノード側セパレータ板１２０で挟んでいる。カソード２０１とシール部材１５０の間のクリアランスがｌ1で、アノード２０２とシール部材１２０間のクリアランスがｌ2で示されている。カソード２０１とシール部材１５０間のクリアランス部の断面がＳで示されている。カソード側の水力直径は、次式で表される。
水力直径＝（断面Ｓの面積）÷（断面Ｓの周長さ）×４
【０１２４】
図４７は、圧力損失ばらつきをもった単電池を５０セル積層した電池Ｍの出力電圧特性を示す。この積層電池は、実施例７と同じセパレータ板を用い、シール部材は平板状のものを用いた。ガス拡散層とシール部材との間のクリアランスを調整して圧力損失のばらついた単電池を選別し、積層電池として組み上げた。その他の部材の構成は実施例７と同じである。
図４７には、比較例として、圧力損失ばらつきが０．５ｋＰａ以内に収まっている５０セルを積層した電池Ｎの出力電圧特性も併記した。比較例の結果より、圧力損失ばらつきが少ない場合には、出力電圧は各単電池でそろっており、ばらつきが少ないことが確認された。このことから、この積層電池のマニホールド構成およびガスフロー構成が各単電池に反応ガスを等分配することに問題がないことが確認された。
【０１２５】
圧力損失ばらつき幅が１．５ｋＰａ付近を境にそれ以上増加した場合、出力電圧の低下が確認された。これは、積層電池内で圧力損失にばらつきがあるため、反応ガス分配に差が生じ、反応ガスの流量が少ないセルの発電能力が低下したことに起因するものである。すなわち、積層電池内に組み込む単電池の圧力損失ばらつきを１．５ｋＰａ以内の収めることが積層電池性能の高出力化、安定化に有効であることが確認された。
【０１２６】
積層電池での出力電圧特性と圧力損失ばらつきの関係、および上で考察したパラメーター（流路長さと流路断面積の水力直径、流路パス数とクリアランス部の断面積の水力直径とクリアランス部の長さで規定される値の比）すなわち（ (ｌ／ｄ)／(Ｌ／Ｄ／Ｐ×２) ）と単位電池での圧力損失ばらつきの関係から、以下の式（３）を満足するクリアランスを確保することが重要であることを見出した。
【０１２７】
０．２７＜（ｌ／ｄ）／（Ｌ／Ｄ×２／Ｐ） （３）
【０１２８】
この式よりシール部材とガス拡散層間のクリアランスの水力直径ｄは、式（１）を満たすことが必要であると定義される。
【０１２９】
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ （１）
【０１３０】
本実施例の結果より、シール部材とガス拡散層間の片側クリアランスｃｌは、組み付け性、シール信頼性の観点から０．２５ｍｍ以上必要であり、積層電池の高出力化、安定化のために、片側クリアランスの水力直径ｄは式（１）を満足するクリアランスを確保することが重要である。
上記項目を満足する構成は、形状を問わないが、実施例７で適用したくさび断面をもつシール部材の構成が好適であり、かつこれをカソード側シール部材に用いることが好適であった。
【実施例９】
【０１３１】
実施例７と同じＭＥＡ、シール部材およびセパレータ板を用い、実施例７と同様にして２０セル積層して８種のセルスタックを作製した。これらのセルスタックは、電極とシール部材の間のクリアランスが異なり、従って、クリアランス部に生じる圧力損失Ｐｃとセパレータ板のガス流路に生じる圧力損失Ｐfが、表５に示すように、異なっている。圧力損失の比Ｐｃ／Ｐｆは、同じ種類のセルスタックでは、アノードおよびカソードで同じになるように設計した。セルスタックｇおよびｈでは、ガス流路のパターンは他のセルスタックと同じであるが、流路の断面積を大きくした。
【０１３２】
ここで、クリアランス部及びガス流路に発生する圧力損失は、それぞれの種類のセルスタックの単セルについてあらかじめ計測した。それらを積層電池でのクリアランス部に生じる圧力損失Ｐｃとセパレータ板のガス流路に生じる圧力損失Ｐfとした。具体的には、セパレータ板の流路のパターンの違いと、ガス拡散層とシール部材の間のクリアランスのパターンの違いで、単セルの圧力損失ばらつきを評価した。セルのガスの入口側と出口側とに、圧力を計測できるよう計測用圧力導入口を設けて、圧力損失を計測した。クリアランス部の圧力を計測する際は、セパレータ板のガス流路のうち電極に対応する部分およびガス拡散層には、シリコーン接着剤により目止めをした。また、ガス流路の圧力を計測する際は、クリアランス部とガス拡散層にシリコーン接着剤により目止めをした。圧力損失は、常温で反応ガス利用率を４０％とした場合に想定される反応ガス流量に相当するドライ窒素ガスを入口側マニホールドから供給して計測した。
【０１３３】
【表５】
2010092876.tif 000007
【０１３４】
以上の各セルスタックを集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより２０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
このようにして作製した積層電池について、実施例１と同じ条件で、ガスのリークチェックを行った。その結果、どのセルスタックにおいてもシール性には問題はなかった。
【０１３５】
次に、それぞれのセルスタックを発電させ、そのときの電圧の安定性を評価した。その結果を表５に併せて示す。
この結果より、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比が０．９を境にセル電圧の安定性が大幅に変化していることがわかる。
本来、クリアランス部の圧力損失は大きく、即ちＰｃ／Ｐｆの値は大きく、従ってクリアランス部に流れるガス量は少なくなるように設計される。クリアランス部の圧力損失が小さい場合、即ちＰｃ／Ｐｆの値が小さい場合は、発電に必要なガスがクリアランス部を通過してしまい、本来流れるべきガス流路に流れにくくなる。その結果、発電に必要なガスが電極に供給されずに、電圧が不安定になる。
【０１３６】
本発明者らは、Ｐｃ／Ｐｆの値がある程度小さい場合においても、燃料電池の運転が可能であることを見いだした。すなわち、高分子電解質型燃料電池の発電時には、一般に、ガスは水分を含んでいる。一部では液滴等にもなっていることが想定される。従って、ガスの流れは二層流状態を呈している。クリアランス部の圧力損失とガス流路部の圧力損失の比Ｐｃ／Ｐｆが小さく、乾燥ガスであると、発電量に見合う量より少ない量のガスが流れるような条件下においても、前記の二層流の状態では、Ｐｃが増大する。このため、クリアランス部を通過するガスの量が下がり、運転が可能になる。
【０１３７】
以上のように、本発明者らは、実用的に運転が可能な領域が、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比で整理できることを見いだした。すなわち、０．９＜Ｐｃ／Ｐｆであることが有効であることを見いだした。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、コンパクトなシール部材で優れた気密性を発揮し、高信頼性であり、低コストで生産できる。従って、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等に利用できる。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
４ａ、４ｂ ポリイミドフィルム
５ａ、５ｂ 粘着層
１０、５０ アノード側セパレータ板
２０、６０ カソード側セパレータ板
１２、２２、３２、４２、５２、６２ 燃料ガス用マニホールド孔
１３、２３、３３、４３、５３、６３ 酸化剤ガス用マニホールド孔
１２ｂ、２３ｂ、５２ｂ、６３ｂ ガス流路
１２ｃ、２３ｃ、５２ｃ、６３ｃ 連絡用ガス流路
３６、５６、７６ アノード側シール部材
３６ａ、５６ａ、７６ａ リブ
３０ アノード側シール用複合部材
４０ カソード側シール用複合部材
４６、６６ カソード側シール部材
５０ａ、６０ａ シール部材用溝
【図１】
2010092876.tif 000008
【図２】
2010092876.tif 000009
【図３】
2010092876.tif 000010
【図４】
2010092876.tif 000011
【図５】
2010092876.tif 000012
【図６】
2010092876.tif 000013
【図７】
2010092876.tif 000014
【図８】
2010092876.tif 000015
【図９】
2010092876.tif 000016
【図１０】
2010092876.tif 000017
【図１１】
2010092876.tif 000018
【図１２】
2010092876.tif 000019
【図１３】
2010092876.tif 000020
【図１４】
2010092876.tif 000021
【図１５】
2010092876.tif 000022
【図１６】
2010092876.tif 000023
【図１７】
2010092876.tif 000024
【図１８】
2010092876.tif 000025
【図１９】
2010092876.tif 000026
【図２０】
2010092876.tif 000027
【図２１】
2010092876.tif 000028
【図２２】
2010092876.tif 000029
【図２３】
2010092876.tif 000030
【図２４】
2010092876.tif 000031
【図２５】
2010092876.tif 000032
【図２６】
2010092876.tif 000033
【図２７】
2010092876.tif 000034
【図２８】
2010092876.tif 000035
【図２９】
2010092876.tif 000036
【図３０】
2010092876.tif 000037
【図３１】
2010092876.tif 000038
【図３２】
2010092876.tif 000039
【図３３】
2010092876.tif 000040
【図３７】
2010092876.tif 000041
【図３８】
2010092876.tif 000042
【図３９】
2010092876.tif 000043
【図４０】
2010092876.tif 000044
【図４３】
2010092876.tif 000045
【図４４】
2010092876.tif 000046
【図４５】
2010092876.tif 000047
【図４６】
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【図４７】
2010092876.tif 000049
【図３４】
2010092876.tif 000050
【図３５】
2010092876.tif 000051
【図３６】
2010092876.tif 000052
【図４１】
2010092876.tif 000053
【図４２】
2010092876.tif 000054
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月13日(2010.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【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等に使用する高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、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により、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記電極は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガス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、これを、ＭＥＡ（電解質膜・電極接合体）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板は、電極面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を有する。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
この溝に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板上の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。また、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００５】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するためには、冷却水等で冷却する必要がある。そこで通常、１〜３セル毎に冷却水用の流路を設ける。通常は、セパレータ板の背面に冷却水用の流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板とを交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００６】
このような高分子電解質型燃料電池のガスケットは、セパレータ板と電極との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性、および十分な締め代を有することが必要である。このため、従来より、樹脂やゴム等からなるシート状のガスケットや、ゴムからなるＯリング等が用いられている。
また、最近ではスタックの締結荷重を低減して、構造部材の軽量化、簡素化、低コスト化を行うため、ガスケットの荷重を低減する試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている（例えば、特開２００２−１４１０８２号公報）。また、組み立て性を向上するため、ガスケットをセパレータ板側に構成した試みも行われている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
従来のＯリング型のガスケットを用いた燃料電池におけるガスケット付近の縦断面図を図１３に示す。アノード側セパレータ板２１０およびカソード側セパレータ板２２０に設けられたＯリング用溝２３６ａ、２４６ａには、それぞれＯリング２３６、２４６が備えられている。そして、Ｏリング２３６で電解質膜２３１をカソード側セパレータ板２２０に押しつけ、Ｏリング２４６で電解質膜２３１をアノード側セパレータ板２１０に押しつけることにより膜とセパレータ板との間がシールされている。２３２ａはアノード、２３２ｂはカソード、２１２ｂは燃料ガスの流路、２２３ｂは酸化剤ガスの流路をそれぞれ表す。
このように、Ｏリング型のガスケットによるシールを２カ所で行っているため、シールに必要な部分が大型化してしまうという問題がある。
また、内部マニホールド型セパレータ板の場合、ガスシール部がマニホールドから電極部まで達するため、電解質膜がマニホールドを覆う大きさである必要があり、これによりコストがかかる。さらに、電解質膜の厚みが２５〜５０μｍ程度であるため、膜サイズが大きいほど組み立て時のハンドリングが困難になる。
【０００８】
一方でコスト低減、ハンドリング向上、および強度向上のために電解質膜のサイズを小さくし、ある程度剛性のある保護膜でそれを覆う構成とした単位電池を構成する場合、電解質膜の厚さ分の段差が生じるためシール性が低下してしまうという問題がある。さらに、ガスケットに上述のようなＯリングを用いた場合、ガスケット自体に剛性がないため、電池スタックの組み立て時に細いＯリングをねじれなく組み付ける工程で時間を要し、製造コストがかかるという問題がある。
また、セパレータ板は導電材からなるため、組立工程において導電性を有する異物の混入等により、ＭＥＡを挟むセパレータ板同士が短絡する可能性がある。また、セパレータ板の反りや歪み、もしくは積層電池の組み付け時に生じる歪み等によりセパレータ板間で短絡する可能性がある。さらに、組み立て後の積層電池と断熱材との間に導電性を有する異物等が入ることによりＭＥＡを挟むセパレータ板同士が短絡する可能性がある。
【０００９】
さらに、Ｏリングによるシールの場合、積層電池を組み付ける際、セパレータを下に置き、その上にＭＥＡを置き、その上にセパレータあるいはガスケットとセパレータを重ねるというように、これら部品を積み重ねていく工程がとられる。その際、ＭＥＡの上に置くガスケットあるいはセパレータは、組み付け治具のガイドにより組み付けられる。しかし、各部品には寸法誤差があり、特にガスケットとＭＥＡの間のクリアランスが寸法誤差を吸収するに十分大きくないと、組み付け性を確保できない。そのため、ガスケットと電極との間にクリアランスが生じ、そこを反応ガスが通り、セパレータのガス流路をバイパスすることとなる。
【００１０】
ＭＥＡやガスケットの組み付け誤差等で電極とガスケット間のクリアランスは各セル毎にばらつきが生じ、これにより各セル間の圧力損失がばらつきを生じることになる。各セル間に圧力損失のばらつきが生じると、積層電池においては、各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガスの流量にばらつきが生じる。その結果、電池性能がばらつき、発電電圧の低下、耐久性の低下、低出力運転時の安定性の低下等の弊害が生じる。これらの症状は、反応ガスの利用率が比較的大きいアノード側で顕著であった。
また、ガスケットと電極間のクリアランスを少なくしようとすると、部品寸法の精度を向上せねばならず、歩留まりの低下、および部品コストの上昇を招く。さらに、組み付け性が困難であることから、組み付け時の信頼性が低く、シール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電解質膜に過大に引っ張り応力、せん断応力が働き、電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こす。
【００１１】
また、近年電池性能を上げるため、供給するガスの加湿度合いを大きくすることが要求されている。酸化剤ガス側では、反応による生成水もあり、電極から速やか、かつ安定的な水の排出が望まれる。従来型のガスケットにより上記反応ガスのバイパスを防ぐために、ガスケットと電極とのクリアランスを小さくし、あるいはほとんどクリアランスを無くすると、電極からの水の排出に大きな圧力が必要となり、システム効率の低下を招くという問題もある。一方、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、低コスト化のため、シール部締結力の低減も課題であり、簡単な構成で効果的なシール構造が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２３１２６４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、上記の問題を解決するため、気密性に優れたコンパクトなシール部材を用いることにより、高信頼性かつ低コストの燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する膜電極接合体と、
一対の燃料ガス用マニホールド孔および一対の酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記一対の燃料ガス用マニホールド孔に連絡されてアノードに燃料ガスを供給し排出する  ガス流路を有するアノード側セパレータ板と、
一対の燃料ガス用マニホールド孔および一対の酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記一対の酸化剤ガス用マニホールド孔に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給し排出するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
前記アノード側セパレータ板のアノード側表面に設けられたアノード側シール部材と、
前記カソード側セパレータ板のカソード側表面に設けられたカソード側シール部材と、
を具備し、
前記アノード側シール部材及び前記カソード側シール部材は、互いに対応する部分において、一方は線状の頂部を有するリブを有し、他方は面状の形状を有しており、
前記リブは、前記アノードまたは前記カソードを囲む部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面を有するくさび型である、高分子電解質型燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シール部材のスペースを小さくして、優れた気密性を発揮するので、電池スタックの締結荷重を低減することができる。従って、高信頼性で、かつ低コストの燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の参考の形態１のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２】同セパレータ板の背面図である。
【図３】本発明の参考の形態１のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図４】同セパレータ板の背面図である。
【図５】本発明の参考の形態１のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【図６】図５の６−６線で切った拡大断面図である。
【図７】本発明の参考の形態１のカソード側シール用複合部材の正面図である。
【図８】図７の８−８線で切った拡大断面図である。
【図９】本発明の参考の形態１の他のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【図１０】本発明の参考の形態１のさらに他のアノード側シール用複合部材の正面図である。
【００１７】
【図１１】本発明の積層電池の要部縦断面図である。
【図１２】図１１の積層電池のシール部材付近の拡大断面図である。
【図１３】従来の積層電池のＯリング型のシール部材付近の拡大断面図である。
【図１４】本発明の参考の形態２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１５】本発明の参考の形態２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図１６】本発明の参考の形態２のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１７】図１６の１７−１７線で切った拡大断面図である。
【図１８】参考の形態２の変形例のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の図１６の１８−１８線に相当するところで切った拡大断面図である。
【図１９】本発明の参考の形態２のシール部材を備えたカソード側セパレータ板の正面図である。
【図２０】図１９の２０−２０線で切った拡大断面図である。
【００１８】
【図２１】参考の形態２の他の変形例のシール部材を備えたアノード側セパレータ板の図１９の２１−２１線に相当するところで切った拡大断面図である。
【図２２】図１６のアノード側シール部材における第１および第２のアノード側シール部を示す図である。
【図２３】図１９のカソード側シール部材における第１および第２のカソード側シール部を示す図である。
【図２４】比較例２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２５】比較例２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図２６】本発明の参考の形態２の他のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２７】同セパレータ板端部のリブ付近の拡大断面図である。
【図２８】本発明の参考の形態２のさらに他のアノード側セパレータ板端部のリブ付近の拡大断面図である。
【図２９】参考例１および比較例１の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３０】参考例２および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【００１９】
【図３１】図３１は参考例３および比較例１の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３２】参考例４および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３３】参考例５および比較例２の積層電池の出力特性を示すグラフである。
【図３４】本発明の実施の形態１のカソード側セパレータの正面図である。
【図３５】同カソード側セパレータ板の背面図である。
【図３６】本発明の実施の形態１のアノード側セパレータの正面図である。
【図３７】本発明の実施の形態１のカソード側シール部材の正面図である。
【図３８】本発明の実施の形態１のアノード側シール部材の正面図である。
【図３９】図３７の３９−３９線で切った拡大断面図である。
【図４０】図３９の４０−４０線で切った拡大断面図である。
【００２０】
【図４１】本発明の実施の形態１のシール部材を組み合わせたカソード側セパレータの正面図である。
【図４２】本発明の実施の形態１のシール部材を組み合わせたアノード側セパレータの正面図である。
【図４３】ガス拡散層とシール部材間に生じるクリアランス部を示すモデル図である。
【図４４】本発明の実施例１および比較例３の燃料電池の出力電圧特性を示す図である。
【図４５】本発明の実施例１と比較例４の燃料電池の出力特性を示す図である。
【図４６】本発明の実施例１によるセパレータとシール部材を規制するパラメーターと圧力損失ばらつきの関係を示す図である。
【図４７】本発明の実施例２と比較例４の燃料電池の出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の１つの観点においては、アノード側シール部材、カソード側シール部材、および高分子電解質膜が協働して、セルのガス流路から外部へガスが漏れるのを防止するアノード側ガスシール部およびカソード側ガスシール部を有し、両ガスシール部材は、前記両ガスシール部の対応する部分において、一方は当該シール部に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方はシール部に面状に接していることによりシールを行う。
本発明のポイントの１つは、上記のような構成のシール部材を用いることにより、安定した気密性を確保し、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができることを見出した点にある。
【００２２】
そして、高分子電解質膜と各セパレータとの間に介在してシール部を構成するシール部材の断面形状を、アノード側シール部材を平面形状とし、カソード側シール部材をカソードを囲む部分においてカソード側に薄く、反対方向に厚い、くさび形状とする。この構成により、シール部に必要となるスペースを低減するのみならずスタックの締結荷重を低減し、さらには電極とシール部材の間に水排出用兼組み付け性確保のための必要最小限の一定クリアランスを確保することができる。また、セルの組み付けを容易にし、水の低圧損での排出性を確保することが可能となる。
【００２３】
他の観点において、本発明は、シール部材の構成が、セパレータのガス流路の構成、および組み付け性からくる限定要件によって決定されるシール部材と電極の間に生じるクリアランスの水力直径（ｄ）により定義可能であることを見いだしたことに基づいている。
すなわち、カソード側シール部材のカソードを囲む部分とカソードとの間に生じる片側クリアランスｃｌとそのクリアランス部の水力直径ｄが次式（１）を満たすように設計される。さらに好ましくは、式（２）を満足することである。
【００２４】
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ （１）
ただし、
ｌ：片側クリアランス部の長さ
ｄ：片側クリアランス部の水力直径
Ｌ：カソード側セパレータの１パス当たりのガス流路の長さ
Ｄ：カソード側セパレータの１パス当たりのガス流路の水力直径
Ｐ：カソード側セパレータ当たりのガス流路のパス数
水力直径ｄ＝クリアランス部の断面積÷クリアランス部の断面部分の周長×４
【００２５】
０．２５ｍｍ＜ｃｌ （２）
【００２６】
これにより、各部品寸法のばらつき、および組み付け誤差の影響を小さくし、圧力損失のばらつきの少ないセル構成を可能にするシール部材が与えられる。
さらに別の観点において、本発明者らは、実用的に運転が可能な領域が、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比で整理できることを見いだした。すなわち、０．９＜Ｐｃ／Ｐｆとするのが有効である。
【００２７】
シール部材に使用するゴム層については、フッ素ゴムの他ポリイソプレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムなどを使用することができる。粘着剤は、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品などを使用することができる。
【００２８】
以下、本発明を図面を参照して実施の形態により詳細に説明する。ここに用いる図面は構造を説明するものであって、各要素の相対位置や大きさは必ずしも正確ではない。
【００２９】
参考の形態１
アノード側セパレータ板の正面図を図１に、その背面図を図２に示す。
アノード側セパレータ板１０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔１２、酸化剤ガス用マニホールド孔１３、冷却水用マニホールド孔１４、および予備用マニホールド孔１５、ならびに４個の締結用ボルト穴１１を有する。
アノード側セパレータ板１０のアノードに対向する面には、一対の燃料ガス用マニホールド孔１２に連絡されてアノードに燃料ガスを供給・排出するガス流路１２ｂが設けられている。ガス流路１２ｂは、一本の溝により構成されている。１２ｃは、燃料ガス用マニホールド孔１２に連絡する部分のガス流路を表す。
【００３０】
セパレータ板１０は、その背面に一対の冷却水用マニホールド孔１４を連絡する冷却水用の流路１４ｂが設けられている。流路１４ｂは、並行する二本の溝により構成されている。各一対の燃料ガス用マニホールド孔１２、酸化剤ガス用マニホールド孔１３、および予備用マニホールド孔１５の周りを囲むようにＯリングを設置するためのＯリング用溝１２ａ、１３ａ、および１５ａが設けられている。さらに、冷却水用マニホールド孔１４および冷却水用の流路１４ｂの周りを囲むＯリング用溝１４ａが設けられている。
【００３１】
カソード側セパレータ板の正面図を図３に、その背面図を図４に示す。
カソード側セパレータ板２０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２２、酸化剤ガス用マニホールド孔２３、冷却水用マニホールド孔２４、および予備用マニホールド孔２５、並びに４個の締結用ボルト穴２１を有する。
カソード側セパレータ板２０のカソードに対向する面には、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔２３に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路２３ｂが設けられている。ガス流路２３ｂは、二本の溝により構成されている。２３ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔２３に連絡する部分のガス流路を表す。
セパレータ板２０は、その背面に、一対の冷却水用マニホールド孔２４を連絡する冷却水用の流路２４ｂが設けられている。流路２４ｂは、並行する二本の溝により構成されている。
【００３２】
図５にアノード側シール用複合部材の正面図、図６にその一部の拡大断面図を示す。また、図７にカソード側シール用複合部材の正面図を、図８にその一部の拡大断面図を示す。
上記アノード側セパレータ板１０に接着させるアノード側シール用複合部材３０は、ポリイミドからなるフィルム４ａ、その一方の面にリブ３６ａを有するアノード側シール部材３６、および他方の面に形成されてアノード側セパレータ板１０と接着する粘着層５ａより構成されている。
【００３３】
粘着層５ａには、粘着剤としてポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等を単独または二種以上を組み合わせたものを用いることができる。
前記フィルム４ａおよび粘着層５ａは、アノード側セパレータ板１０における各マニホールド孔と対応する燃料ガス用マニホールド孔３２、酸化剤ガス用マニホールド孔３３、冷却水用マニホールド孔３４、および予備用マニホールド孔３５、ならびにボルト穴３１を有し、アノードと対応する部分は切り欠かれている。
【００３４】
アノード側シール部材３６は、アノードを囲む電極シール部３７と、燃料ガス用マニホールド孔３２、および酸化剤ガス用マニホールド孔３３をそれぞれ囲むマニホールド孔シール部３２ａおよび３３ａと、これらマニホールド孔シール部３２ａおよび３３ａの両端を電極シール部３７に連結するシール部３８ａ、３８ｂおよび３８ｃ、３８ｄとを有する。シール部３８ａ、３８ｂは、アノード側セパレータ板１０における連絡用ガス流路１２ｃの両側を囲み、シール部３８ｃ、３８ｄは、カソード側セパレータ板２０における連絡用ガス流路２３ｃの両側を囲む位置に対応している。アノード側シール部材３６は、さらにマニホールド孔３４および３５をそれぞれ囲むマニホールド孔シール部３４ａおよび３５ａを有する。
前記リブ３６ａは、その断面形状が三角形であり、その底辺がアノード側シール部材３６の主面に含まれ、前記底辺に向かい合う頂点に相当する頂部３６ｂが後述のカソード側シール部材４６に膜を介して当接する。
【００３５】
一方、上記カソード側セパレータ板２０に接着されるカソード側シール用複合部材４０は、ポリイミドからなるフィルム４ｂ、その一方の面に形成された平板状のカソード側シール部材４６、および他方の面に形成されてセパレータ板と接着する粘着層５ｂより構成されている。
前記粘着層５ｂには、粘着剤としてポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等を単独または二種以上を組み合わせたものを用いることができる。
前記フィルム４ｂおよび粘着層５ｂは、カソード側セパレータ板２０における各マニホールド孔と対応する燃料ガス用マニホールド孔４２、酸化剤ガス用マニホールド孔４３、冷却水用マニホールド孔４４、および予備用マニホールド孔４５、ならびにボルト穴４１を有し、カソードと対応する部分は切り欠かれている。
前記カソード側シール部材４６は平板状であり、前記フィルム４ｂおよび粘着層５ｂと同形状である。
【００３６】
上記のアノード側シール用複合部材３０における粘着層５ａ側の面をアノード側セパレータ板１０のアノードと対向する側の面に接着させることにより、アノード側シール部材３６がアノード側セパレータ板１０に固定される。
一方、カソード側シール用複合部材４０における粘着層５ｂ側の面をカソード側セパレータ板２０のカソードと対向する側の面に接着させることにより、カソード側シール部材４６がカソード側セパレータ板２０に固定される。
そして、燃料電池を構成する際には、図１１のように、これらのアノード側シール用複合部材３０を備えたアノード側セパレータ板１０と、カソード側シール用複合部材４０を備えたカソード側セパレータ板２０とでＭＥＡを挟む。ＭＥＡは、水素イオン伝導性高分子電解質膜１と、電解質膜１を挟むアノード２ａおよびカソード２ｂとからなる。図１１において、３は溝１２ａ〜１５ａに設置されたＯリングを表す。
このとき、図１２に示すように、アノード側シール部材３６における頂部３６ｂが、電解質膜１を介してカソード側シール部材４６に当接するように構成される。
このようなアノード側シール部材およびカソード側シール部材を用いることにより、安定した気密を確保しつつ、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができる。
【００３７】
上記に示した燃料電池は、アノード側セパレータ板に接合されたアノード側シール部材およびカソード側セパレータ板に接合されたカソード側シール部材を具備する。これら一対のシール部材は、
（ａ）アノードおよびカソードを囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対の電極シール部、
（ｂ）燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マニホールド孔を囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対のマニホールド孔シール部、および
（ｃ）各マニホールド孔とガス流路とを連絡する連絡用ガス流路の両側を囲む位置において高分子電解質膜を挟む一対の連絡用ガス流路シール部を有する。
そして、前記シール部材は、その一方が各シール部において高分子電解質膜に線状に接する頂部を有するリブを有し、他方が高分子電解質膜に面状に接することにより、高分子電解質膜と各セパレータ板間の気密を保持する。
【００３８】
なお、上記構成のアノード側シール用複合部材３０では、アノードと燃料ガス用マニホールド孔３２は、マニホールド孔シール部３２ａおよびアノードを囲む電極シール部３７により隔離されている。同様に、アノードと酸化剤ガス用マニホールド孔３３は、マニホールド孔シール部３３ａおよび電極シール部３７により隔離されている。アノードとマニホールド孔３２、３３とは、図９のようにマニホールド孔シール部３２ａ、３３ａのみにより隔離されていてもよい。また、図１０のようにアノードを囲む電極シール部３７のみにより隔離されていてもよい。
また、上記構成のカソード側シール用複合部材４０は、電極シール部、マニホールド孔シール部および連絡用ガス流路シール部の各シール部を含んだセパレータ板の主面全体を覆う形状であった。しかし、カソード側シール用複合部材４０は、アノード側シール部材３０と向かい合う部分のみで構成されていてもよい。
【００３９】
参考の形態２
図１４にアノード側セパレータ板の正面図を、図１５にカソード側セパレータ板の正面図を示す。
アノード側セパレータ板５０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔５２、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５、ならびに４個の締結用ボルト穴５１を有する。
カソード側セパレータ板６０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔６２、酸化剤ガス用マニホールド孔６３、冷却水用マニホールド孔６４、および予備用マニホールド孔６５、ならびに４個の締結用ボルト穴６１を有する。
また、アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０には、後述するアノード側シール部材５６およびカソード側シール部材６６を配するためのシール部材用溝５０ａおよび６０ａがそれぞれ所定の位置に設けられている。
【００４０】
前記溝５０ａにアノード側シール部材５６を設けたアノード側セパレータ板５０の正面図を図１６に、その一部の拡大断面図を図１７に示す。また、前記溝６０ａにカソード側シール部材６６を設けたカソード側セパレータ板６０の正面図を図１９に、その一部の拡大断面図を図２０に示す。
所定のリブ５６ａを有するアノード側シール部材５６が、アノード側セパレータ板５０のシール部材用溝５０ａに沿って設置されている。
アノード側シール部材５６は、ガス流路５２ｂおよび一対の燃料ガス用マニホールド孔５２の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部を有する。アノード側シール部材５６は、さらに、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部５３ａ、５４ａおよび５５ａと、後述するカソード側セパレータ板６０における連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部５８ｃ、５８ｄとを有する。
【００４１】
前記第１のアノード側シール部は、ガス流路５２ｂの大部分を囲む電極シール部５７、燃料ガス用マニホールド孔５２の外側半分を囲むマニホールド孔シール部５２ａ、並びに連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部５８ａおよび５８ｂからなる。連絡用ガス流路５２ｃは、マニホールド孔５２とガス流路５２ｂとを連絡する。この第１のアノード側シール部は、図２２に斜線を施した部分に相当する。
さらに、アノード側シール部材５６は、シール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、および５９ｄを有する。シール部５９ａは、燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａと酸化剤ガス用マニホールド孔シール部５３ａとを結ぶ。シール部５９ｂは、燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａと冷却水用マニホールド孔シール部５４ａとを結ぶ。シール部５９ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔シール部５３ａと予備用マニホールド孔シール部５５ａとを結ぶ。シール部５９ｄは、冷却水用マニホールド孔シール部５４ａと予備用マニホールド孔シール部５５ａとを結ぶ。
【００４２】
第２のアノード側シール部は、各マニホールド孔シール部５３ａ〜５５ａ、各マニホールド孔シール部間を連結する各シール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃおよび５９ｄからなり、このうち、第１のアノード側シール部における燃料ガス用マニホールド孔シール部５２ａとともにマニホールド孔５３〜５５より内側で閉ループを構成している部分に相当する。
【００４３】
一方、上記アノード側セパレータ板に対向する面が平面状であるカソード側シール部材６６が、カソード側セパレータ板６０のシール部材用溝６０ａに沿って設置されている。
カソード側シール部材６６は、ガス流路６３ｂおよび一対の酸化剤ガス用マニホールド孔６３の外周を囲んで一つの閉ループを構成する第１のカソード側シール部と、燃料ガス用マニホールド孔６２、冷却水用マニホールド孔６４、および予備用マニホールド孔６５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部６２ａ、６４ａおよび６５ａと、上記アノード側セパレータ板５０における前記連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部６８ａ、６８ｂとを有する。
【００４４】
前記第１のカソード側シール部は、ガス流路６３ｂの大部分を囲む電極シール部６７、酸化剤ガス用マニホールド孔６３の外側半分を囲むマニホールド孔シール部６３ａ、およびマニホールド孔６３とガス流路６３ｂとを連絡する連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部６８ｃ、６８ｄからなる。この第１のカソード側シール部は、図２３に斜線を施した部分に相当する。
さらに、カソード側シール部材６６は、シール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、およびシール部６９ｄを有する。シール部６９ａは、前記燃料ガス用マニホールド孔シール部６２ａと酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａとを結ぶ。シール部６９ｂは、燃料ガス用マニホールド孔シール部６２ａと冷却水用マニホールド孔シール部６４ａとを結ぶ。シール部６９ｃは、酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａと予備用マニホールド孔シール部６５ａとを結ぶ。シール部６９ｄは、冷却水用マニホールド孔シール部６４ａと予備用マニホールド孔シール部６５ａとを結ぶ。
【００４５】
第２のカソード側シール部は、各マニホールド孔シール部６２ａ、６４ａおよび６５ａ、各マニホールド孔シール部間を連結する各シール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、および６９ｄからなり、このうち、第１のカソード側シール部における酸化剤ガス用マニホールド孔シール部６３ａとともに、マニホールド孔６２、６４、６５の内側で閉ループを構成している部分に相当する。
そして、燃料電池を構成する際に、上記アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０をＭＥＡの両側に配置させたときに、アノード側シール部材５６における前記リブ５６ａの頂部５６ｂが電解質膜を介してカソード側シール部材６６に当接するように構成される。
このようなシール部材を用いることにより、安定した気密性を確保しつつ、シール部材のスペースを小さくし、電池スタックの締結荷重を低減することができる。
【００４６】
さらに、本実施の形態では、セパレータ板よりも一回り小さいサイズの高分子電解質膜の使用を可能にする。図１６において、高分子電解質膜の外形は点線で示されている。このようなサイズの高分子電解質膜を用いると、シール部５８ａ、５８ｂと高分子電解質膜との接触部に隙間が生じ、第１のアノード側シール部の外側へ燃料ガスが漏れる。この漏れたガスがセル外へ漏れるのを防止するのが第２のアノード側シール部である。この外部へのガスの漏れを防止するのに必須の第２のアノード側シール部は、図２２に、第１のアノード側シール部の外側に示されている。
【００４７】
また、シール部６８ｃ、６８ｄと高分子電解質膜との接触部に隙間が生じ、第１のカソード側シール部の外側へ酸化剤ガスが漏れる。この漏れたガスがセル外へ漏れるのを防止するのが第２のカソード側シール部である。この外部へのガスの漏れを防止するのに必須の第２のカソード側シール部は、図２３に、第１のカソード側シール部の外側に示されている。
さらに、この第２のアノード側シール部および第２のカソード側シール部は、ガス流路に連絡されるマニホールド孔以外のマニホールド孔よりも内側を囲んでいるため、燃料電池内部でガスがクロスリークすることがない。
【００４８】
このように、図１６中の点線部分に示すようなサイズの小さい高分子電解質膜を用いても、本参考の形態のアノード側シール部材を備えたアノード側セパレータ板およびカソード側シール部材を備えたカソード側セパレータ板を用いることにより、安定した気密性が確保できる。また、高分子電解質膜のサイズを小さくできるため、さらにスタックの締結荷重の低減が可能となる。
【００４９】
上では、アノード側シール部材５６の各シール部を構成するリブ５６ａは、それぞれ高さが同じものとして説明した。しかし、高分子電解質膜に接しないリブの高さは、高分子電解質膜に接するリブの高さより、高分子電解質膜の厚さだけ高くした方がよりシール効果を高めることができる。
図１８は、そのような参考の形態におけるアノード側シール部材付きセパレータ５０を図１６の１８−１８線に相当するところで切った拡大断面図を表している。シール部材５６のリブ５６ａのうち、図１６に点線で示すサイズの高分子電解質膜１に接する部分は５６ａ−１で表し、高分子電解質膜に接しない部分は５６ａ−２で表している。リブ５６ａ−２は、高分子電解質膜の厚さだけリブ５６ａ−１より高い。リブ５６ａ−１とリブ５６ａ−２とは、高さが順次高くなる部分５６ａ−３によりつながっている。
リブ５６自身の高さを高くする代わりに、リブのベースとなる部分の高さ（厚み）を高くすることにより、リブが高くなるようにしてもよい。
【００５０】
前記のアノード側シール部材のリブの高さを変える代わりにカソード側シール部材の高さ（厚さ）を変えてもよい。図２１は、そのようなシール部材を備えたカソード側セパレータを図１９の２１−２１線に相当するところで切った拡大断面図を表している。シール部材６６のシール部６８ｄのうち、図１６に点線で示すサイズの高分子電解質膜１に接する部分は６８ｄ−１で表し、高分子電解質膜に接しない部分は６８ｄ−２で表している。部分６８ｄ−２は、高分子電解質膜の厚さだけ６８ｄ−１より高い。部分６８ｄ−１と６８ｄ−２とは、高さが順次高くなる部分６８ｄ−３によりつながっている。他のシール部についても高分子電解質膜に接しないところは高分子電解質膜に接するところより高さを高くしている。
【００５１】
なお、上述の両シール部材には、相対応しない部分（図１６中のアノード側シール部材の酸化剤ガス用マニホールド孔シール部および電極シール部における酸化剤ガス用マニホールドとアノードを隔離する部分、ならびに図１９中のカソード側シール部材の燃料ガス用マニホールド孔シール部および電極シール部における燃料ガス用マニホールド孔とカソードを隔離する部分）がある。しかし、燃料電池スタックを構成する際には、弾性を有するシール部材が、両セパレータ板により適当な圧力で押さえつけられるため、シール部材が相対応していなくても、シール部材の片方が直接セパレータ板に当接することによりシールできる。
また、上述の相対応しない部分にカバープレート等の部材を用い、当該部分をシール部材と対応させてシールするようにしてもよい。例えば、図１６の場合では、一対のシール部５８ａ、５８ｂの間におけるカソード側シール部材と相対応する位置に、連絡用ガス流路５２ｃの上方を覆うカバープレートを設けることができる。図１９の場合では、一対のシール部６８ｃ、６８ｄの間におけるアノード側シール部材と相対応する位置に、連絡用ガス流路６３ｃの上方を覆うカバープレートを設けることができる。
【００５２】
シール部材用溝へのシール部材の設置方法としては、セパレータ板の前記溝部にシール部材を一体に成形する方法やあらかじめ成形したシール部材を前記溝に嵌合する方法が挙げられる。
図２６および図２７は、他のアノード側シール部材を備えたアノード側セパレータ板５０を示す。このシール部材７６は、図１４と同様のアノード側セパレータ板５０の溝部５０ａに嵌合してセパレータと一体に結合されている。シール部材７６のシール部材５６と異なるところは、以下に示す第１のアノード側シール部に囲まれた部分、マニホールド孔５３、５４および５５、並びに締結用ボルト穴５１を除いて、セパレータ板５０の主面を覆っていることである。シール部材７６は、図１６に示すシール部材５６のリブ５６ａと同じ位置にリブ７６ａを有する。図２６では、リブ７６ａはその頂部７６ｂに相当する部分が１本の線で表されている。このシール部材７６により、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ板同士が接触して短絡が生じるのを防止することができる。
【００５３】
アノード側シール部材７６は、ガス流路５２ｂおよび一対の燃料ガス用マニホールド孔５２の外周を囲んで１つの閉ループを構成する第１のアノード側シール部と、酸化剤ガス用マニホールド孔５３、冷却水用マニホールド孔５４、および予備用マニホールド孔５５をそれぞれ独立に囲むマニホールド孔シール部７３ａ、７４ａおよび７５ａと、カソード側セパレータ板６０における連絡用ガス流路６３ｃの両側を囲むシール部７８ｃ、７８ｄとを有する。アノード側シール部材７６は、さらにマニホールド孔シール部７２ａと７３ａをつなぐシール部７９ａ、マニホールド孔シール部７２ａと７４ａをつなぐシール部７９ｂ、マニホールド孔シール部７３ａと７５ａをつなぐシール部７９ｃ、およびマニホールド孔シール部７４ａと７５ａをつなぐシール部７９ｄを有する。
前記第１のアノード側シール部は、ガス流路５２ｂの大部分を囲む電極シール部７７、燃料ガス用マニホールド孔５２の外側半分を囲むマニホールド孔シール部７２ａ、およびマニホールド孔５２とガス流路５２ｂとを連絡する連絡用ガス流路５２ｃの両側を囲むシール部７８ａ、７８ｂからなる。これらのシール部は、図１６のシール部材のシール部に対応する位置にある。
また、図２８に示すように、アノード側セパレータ板５０の主面だけでなくさらに側面を覆い、セパレータ板５０に対して図１６と同じ位置にリブ８６ａを備えたアノード側シール部材８６を設置してもよい。８６ｂはリブ８６ａの頂部を表す。これにより、ＭＥＡを挟む一対のセパレータ板間の短絡および積層電池の組立後における短絡を防止することができる。
《参考例１》
【００５４】
（ｉ）セパレータ板の作製
等方性黒鉛板を用いて機械加工により参考の形態１の図１および図２に示すアノード側セパレータ板１０ならびに図３および図４に示すカソード側セパレータ板２０を作製した。このとき、セパレータ板の厚さは３ｍｍ、ガスおよび冷却水用の流路の溝は、３ｍｍピッチで溝幅２ｍｍとした。
【００５５】
（ii）シール部材の作製
図５〜図８に示す参考の形態１と同様の粘着層を備えたシール用複合部材３０、４０を作製した。
金型に厚さ１００μｍのポリイミドフィルム４ａを設置した。金型を締めた後、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でフッ素ゴムを射出成形することにより、ポリイミドフィルム４ａ上に所定のシール部材３６を形成した。同様に、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム４ｂ上に所定のシール部材４６を形成した。二次架橋は２００℃、１０時間の条件で行った。その後、ブチルゴムからなる厚さ２５μｍの粘着層５ａおよび５ｂをポリイミドフィルム４ａおよび４ｂ上にそれぞれ転写接合し、粘着層５ａおよび５ｂの表面をポリプロピレン製の離型フィルムで覆った。
【００５６】
このとき、アノード側シール部材３６の厚さは１００μｍ、その幅は３ｍｍとし、前記シール部材３６主面からのリブ３６ａの高さは３００μｍとした。一方、カソード側シール部材４６の厚さは、１２５μｍとした。また、アノード側およびカソード側シール用複合部材３０、４０における燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水および予備用のマニホールド孔３２〜３５および４２〜４５、締結用ボルト穴３１、４１、ならびに電極と対向する部分は抜き型で抜いた。
上記で得られた粘着層を備えたシール用複合部材３０および４０をそれぞれセパレータ板１０および２０に設置し、ホットプレスによりそれぞれ圧着させた。ホットプレスの条件は、温度が１００℃、プレス荷重が２０００ｋｇｆ、加圧時間が１分間とした。
【００５７】
（iii）ＭＥＡの作製
アセチレンブラック系のカーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比４：１の割合で担持させ、電極用の触媒粉末を得た。この触媒粉末をイソプロパノール中に分散させたものと、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール中に分散させたものとを混合し、電極用ペーストを得た。スクリーン印刷法により、この電極用ペーストを原料として、厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒層を形成し、電極を得た。この触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００５８】
これらの電極は、正極および負極共に同一構成とした。印刷した触媒層を内側にして、面積が１００ｃｍ2の一対の電極で水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟み、ホットプレスすることにより、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚さに薄膜化したものを用いた。
前記電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同様とし、高分子電解質膜には後述する一対の燃料ガス用マニホールド孔、冷却水用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔に対応する穴を打ち抜き型により形成した。
【００５９】
（iv）積層電池の作製
積層電池の要部縦断面図を図１１に示す。
上記で得られたアノード側シール用複合部材３０を備えたアノード側セパレータ板１０およびカソード側シール用複合部材４０を備えたカソード側セパレータ板２０で、水素イオン伝導性高分子電解質膜１および前記電解質膜１を挟む一対のアノード２ａ、およびカソード２ｂからなるＭＥＡを挟み単位電池を構成した。このとき、アノード側セパレータ板１０のＯリング溝１２ａ〜１５ａにＯリング３を設置した。そして、単電池を積層する際には、セパレータ板１０の冷却水用の流路１４ｂを有する面および隣接する単電池のセパレータ板２０の冷却水用の流路２４ｂを有する面を向き合うように重ねることにより、冷却部を設けた。
【００６０】
このようにして単電池を５０セル積層し、その積層体の両端に集電板と絶縁板とを介してステンレス鋼製の端板を配し、締結ロッドにより７００ｋｇｆの締結荷重で積層体を締結することにより積層電池を作製した。この積層電池を電池Ａとした。
このとき、感圧紙でＭＥＡとセパレータの面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。この結果、シール部材における反力は２００ｋｇｆであることがわかった。
【００６１】
電池Ａについてガスのリークチェックを行った。出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量を調べた。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、電池Ａは流体シール性に問題のないことが確認された。
【００６２】
《比較例１》
等方性黒鉛板を用いて機械加工により、図１３に示すような従来のＯリング溝２３６ａ、２４６ａを備えた一対のセパレータ板２１０、２２０を作製した。このとき、Ｏリング溝２３６ａ、２４６ａの幅は１．５ｍｍ、深さは０．８ｍｍとした。そして、所定の金型を用いて圧縮成形によりＯリング２３６、２４６を作製した。なお、Ｏリングにはゴム硬度６０のフッ素ゴムを用いた。
参考例１のセパレータ板１０、２０およびシール用複合部材３０、４０の代わりに、上記のＯリング２３６、２４６およびセパレータ板２１０、２２０を用いた以外は、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｂとした。なお、これ以外のスタック構成要素はＯリング形状に合わせてサイズ変更を行った以外は、参考例１と同一の構成とした。
【００６３】
電池Ｂについて参考例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。参考例１と同様に空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
参考例１の電池Ａおよび比較例１の電池Ｂを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、どちらの電池も電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
さらに、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で電池Ａおよび電池Ｂの出力特性を調べた。その評価結果を図２９に示す。本発明の参考例１の電池Ａは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
《参考例２》
【００６４】
等方性黒鉛板を用いて機械加工により参考の形態２における図１４および１５のアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を作製した。このとき、アノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０に設けられたシール部材用溝５０ａ、６０ａの幅は４ｍｍ、深さは１ｍｍとした。また、セパレータ板５０、６０の厚さは３ｍｍ、両面に形成された流路の溝は、３ｍｍピッチで溝幅２ｍｍとした。
【００６５】
次に上記のセパレータ板５０、６０に所定のシール部材を成形して、参考の形態２における図１６および図１７に示すシール部材５６を備えたアノード側セパレータ板５０および図１９および図２０に示すシール部材６６を備えたカソード側セパレータ板６０をそれぞれ作製した。
セパレータ板へのシール部材の成形は、金型にセパレータ板を設置し金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2でフッ素ゴムを射出成形することにより行った。このとき、二次架橋は２００℃、１０時間の条件で行った。
アノード側シール部材５６の厚さは、アノード側セパレータ板５０の表面から１００μｍとし、その幅は４．５ｍｍとした。そして、アノード側シール部材５６のリブ５６ａの高さは、前記シール部材５６の主面から３００μｍとした。一方、カソード側シール部材６６の厚さは、カソード側セパレータ板６０の表面から２５０μｍとし、その幅は４．５ｍｍとした。
【００６６】
高分子電解質膜を、セパレータ板よりも一回り小さい図１６中の点線部分に示すようなサイズとした以外は、参考例１と同様の方法によりＭＥＡを作製した。
上記で得られたセパレータ板およびＭＥＡを用いて、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｃとした。
電池Ｃについて参考例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。
【００６７】
《比較例２》
図２４に示すように、図１６のシール部材５６におけるシール部５９ａ、５９ｂ、５９ｃおよび５９ｄを有しない他はシール部材５６と同じ構成のシール部材９６を備えたアノード側セパレータ板９０を参考例２と同様の方法により作製した。一方、図２５に示すように、図１９のシール部材６６におけるシール部６９ａ、６９ｂ、６９ｃおよび６９ｄを有しない他はシール部材６６と同じ構成のシール部材１０６を備えたカソード側セパレータ板１００を参考例２と同様の方法により作製した。これらのセパレータ板を用いた以外は、参考例２と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｄとした。電池Ｄについて参考例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。
【００６８】
シール部材９６のリブ９６ａは電解質膜（図２４中の点線部分）と接しない部分を有するから、ガス圧力５ｋＰａのとき、それらの部分でガスのリークが検出された。これより、比較例２の電池Ｄに比べて参考例２の電池Ｃの方がシール性が優れていることがわかった。
【００６９】
電池Ｃおよび電池Ｄを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、本発明の参考例２の電池Ｃでは５０Ｖ、比較例２の電池Ｄでは４２．５Ｖの開放電圧を得た。このとき、比較例２の電池Ｄではガスのクロスリークが生じていることが確認された。
さらに、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で電池Ｃおよび電池Ｄの出力特性を調べた。その評価結果を図３０に示す。比較例２の電池Ｄに対して参考例２の電池Ｃの方が優れた性能を有することがわかった。
《参考例３》
【００７０】
アノード側シール部材５６のリブ５６ａの高さを、図１８に示したように、高分子電解質膜に接する部分５６ａ−１は主面から３００μｍ、高分子電解質膜に接しない部分５６ａ−２は主面から３５０μｍとし、両者をつなぐ部分５６ａ−３はなだらかな傾斜を有するようにした。この他は参考例２と同様にして電池Ｃ２を作製した。
【００７１】
本実施例の電池Ｃ２と参考例２の電池Ｃについて、参考例１と同様であるが計測圧力のみ変更してシール性の比較試験を行った。その結果、電池Ｃ２では３００ｋＰａまでリークが計測されなかったが、電池Ｃでは２００ｋＰａでマニホールドから外へリークが計測された。これにより参考例３の電池Ｃ２は、よりシール性に優れていることが判明した。
これは、高分子電解質膜の外側に位置するシール部位のシール締め代を膜厚分厚くしていることに起因している。ここで、シール締め代とは、シール部にシールのための十分な局部圧力を発揮するに必要な、圧縮されるべき厚さをいう。さらに膜厚分の段差が生じる部位については、シール高さをなめらかにつなぐことで、シール部位全域にわたって安定したシール締め代を確保することが可能になり、シール性が向上したことによる。
《参考例４》
【００７２】
参考例２と同様にアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を作製した。参考例２と同様のアノード側シール部材５６およびカソード側シール部材６６を別途作製した。
上記で作製したシール部材５６、６６をセパレータ板５０、６０の溝５０ａ、６０ａに嵌合させることにより、セパレータ板５０、６０にシール部材５６、６６をそれぞれ設けた。このとき、従来のＯリング型のガスケットに対して本実施例のシール部材は幅があるため、組み付け時のハンドリングは良好であった。
【００７３】
上記で得られたアノード側セパレータ板５０およびカソード側セパレータ板６０を用いた以外は、参考例２と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｅとした。
電池Ｅについて参考例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
電池Ｅを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
【００７４】
この電池Ｅについて参考例１と同様の条件で出力特性を調べた。この評価結果を比較例１の電池Ｂとともに図３１に示す。本参考例の電池Ｅは、比較例１の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
また、シール部材とセパレータ板との接着性を上げるために、本参考例のシール部材におけるセパレータ板との接合面に、ブチルゴムからなる粘着剤を塗布してもよい。このシール部材を用いた場合でも、本参考例と同等の性能が確認された。
このとき、シール部材とセパレータ板の一体化品に激しく振動を与えてもシール部材とセパレータ板が分離することはなかった。また、組立時に加えられる振動等の衝撃はセパレータ板とシール部材との一体化品に対して問題がないことが確認された。
《参考例５》
【００７５】
参考の形態２の図２６および図２７に示すアノード側シール部材７６を参考例２と同様の方法によりアノード側セパレータ板５０に設けた。
このとき、アノード側シール部材７６の厚さはアノード側セパレータ板５０の表面から１００μｍとし、シール部材７６上に設けたリブ７６ａの高さは前記シール部材７６の主面から３００μｍとした。
なお、組み立て工程の中でセパレータ板にシール部材を覆わない箇所が必要であれば、実質的に全面を覆っているガスケットの一部を削除したり、成形時にあらかじめシール部材を成形しない箇所を設けてもよい。
【００７６】
上記のアノード側シール部材を用いた以外は、参考例２と同様の方法で積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｆとした。
電池Ｆについて参考例１と同様の条件でガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
電池Ｆを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
【００７７】
また、この電池Ｆを参考例１と同様の条件で出力特性を調べた。その評価結果を比較例２の電池Ｄとともに図３２に示す。その結果、比較例２の電池Ｄよりも本参考例の電池Ｆの方が優れた性能を有することが確認された。
さらに、アノード側セパレータ板の主面がシール部材で覆われているため、導電性を有する異物が入っても短絡は起こらなかった。
《参考例６》
【００７８】
参考の形態２における図２８に示すアノード側シール部材８６を参考例２と同様の方法によりアノード側セパレータ板５０に設けた。このとき、アノード側セパレータ板５０の側面に設けられたアノード側シール部材８６の厚さは１００μｍとした。
上記のアノード側シール部材８６を用いた以外は、参考例２と同様の方法により積層電池を作製した。この積層電池を電池Ｇとした。
電池Ｇについて参考例１と同様の方法によりガスのリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスのリークはなく、流体シール性に問題のないことが確認された。
【００７９】
電池Ｇを８５℃に保持し、アノード側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電力を外部に供給しない無負荷時には、５０Ｖの開放電圧を得た。
この電池Ｇについて参考例１と同様の条件で出力特性を調べた。この評価結果を比較例２の電池Ｄとともに図３３に示す。その結果、本参考例の電池Ｇは、比較例２の電池Ｄよりも優れた性能を有することが確認された。
また、アノード側セパレータ板の主面がシール部材８６で覆われているため、導電性を有する異物が入っても短絡は起こらなかった。さらに、アノード側セパレータ板５０の側面がシール部材８６で覆われているため、積層電池の表面に導電性を有する異物が存在しても短絡は起こらず、積層電池を使用する際に感電する危険性が低減された。
【００８０】
実施の形態１
図３４は本実施の形態による燃料電池のカソード側セパレータ板の正面図、図３５はその背面図、図３６はアノード側セパレータ板の正面図である。
カソード側セパレータ板１１０は、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１、一対の燃料ガス用マニホールド孔１１２、一対の冷却水用マニホールド孔１１３、および締結ボルトを通すための４個のボルト孔１１９を有する。セパレータ板１１０のカソードに対向する面には、一対のマニホールド孔１１１に連なるガス流路１１５を有する。セパレータ板１１０は、背面に、一対の冷却水用マニホールド孔１１３に連なる冷却水の流路１１４を有する。セパレータ板１１０は、背面に、さらに、マニホールド孔１１３および流路１１４を囲むシール部材用の溝１１６、並びに、マニホールド孔１１１および１１２をそれぞれ囲むシール部材用の溝１１７および１１８を有する。セパレータ板１１０は、さらにマニホールド孔１１３とのバランスを保つため、一対のダミーのマニホールド孔１１３Ｂを有する。
【００８１】
アノード側セパレータ板１２０は、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１２１、一対の燃料ガス用マニホールド孔１２２、一対の冷却水用マニホールド孔１２３、ダミーのマニホールド孔１２３Ｂ、および締結ボルトを通すための４個のボルト孔１２９を有する。セパレータ板１２０のアノードに対向する面には、一対のマニホールド孔１２２に連なるガス流路１２４を有する。セパレータ板１２０は、図示しないが、背面には、カソード側セパレータ板と同様に、一対の冷却水用マニホールド孔１２３に連なる冷却水の流路、マニホールド孔１２３および冷却水の流路を囲むシール部材用の溝、並びに、マニホールド孔１２１および１２２をそれぞれ囲むシール部材用の溝を有する。
【００８２】
カソード側シール部材１５０は、図３７に示すように、カソード側セパレータ板１１０の一対の酸化剤ガス用マニホールド孔１１１からガス流路１１５にわたる部分を囲むんで閉ループを構成する細い帯状の部片１５１を有する。カソード側シール部材１５０は、さらに、燃料ガス用マニホールド孔１１２を囲むリング状の部片１５２、部片１５２を部片１５１へ連結する縦の部片１５８および横の部片１５４、冷却水用マニホールド孔１１３およびダミーのマニホールド孔１１３Ｂをそれぞれ囲む相互につながったリング状の部片１５３および１５３Ｂ、ならびに部片１５３および１５３Ｂの端部を部片１５１へ連結する帯状部片１５６および１５７を有する。シール部材１５０は、図３９に示すように、粘着剤の層１６１、樹脂フィルム１６２およびゴム層１６３の三層構造である。そして、部片１５１は、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型である。部片１５２、１５３および１５３Ｂは、内側すなわちマニホールド孔側が厚く、外側が薄い断面を持つくさび型である。
【００８３】
また、部片１５４、１５６、１５７および１５８は同じくくさび型の断面を有する。厚い方は内側、外側いずれでもよいが、内側が厚く、外側が薄い断面を持つようにするのが好ましい。
アノード側シール部材１８０は、図３８に示すように、アノード側セパレータ板１２０のマニホールド孔１２１、１２２、１２３、１２３Ｂおよび孔１２９にそれぞれ連通するマニホールド孔１８１、１８２、１８３、１８３Ｂおよび孔１８９、並びにアノードに対応する切り欠き部１８４を有する。シール部材１８０は、図４０に示すように、シール部材１５０と同様に、粘着剤の層１９１、樹脂フィルム１９２およびゴム層１９３の三層構造であるが、全体に同一厚さの平板からなる。
【００８４】
カソード側セパレータ板１１０は、カソードと対向する面の上に、カソード側シール部材１５０を粘着剤の層を下にして重ね合わせ、ホットプレスにより圧着する。同様に、アノード側セパレータ板１２０は、アノードと対向する面の上に、アノード側シール部材１８０を粘着剤の層を下にして重ね合わせ、ホットプレスにより圧着する。こうしてシール部材を接合したカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板をそれぞれ図４１および図４２に示す。
これらシール部材を接合したセパレータ板により、高分子電解質膜およびこれを挟む一対の電極からなるＭＥＡを挟んで単電池を構成する。隣接する単電池間には、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の背面同士の接合部に冷却部を設ける。前記のセパレータ板間には、図３５に示す溝１１６、１１７および１１８に対応する部分にＯリングを填め込む。この組み立て手順を以下に説明する。
【００８５】
まず、ガイドピンを立てた組み立て用治具をセットし、その上にシール部材が付いたアノード側セパレータ板１２０を置く。次に、ＭＥＡをガイドピンに沿ってセットする。その際アノードのガス拡散層がシール部材１８０の切り欠き部１８４の縁部に乗り上げないよう慎重に組み付ける。
治具にセットされたガイドピンと、組み付けるそれぞれの部品との間にはクリアランスがある。特に、ＭＥＡは組み立てる環境の湿度により大きく寸法が変化するため、クリアランスは大きくとる必要がある。ＭＥＡを安定的に組み付けるには、ガイド部のクリアランスは１ｍｍ必要である。
【００８６】
ＭＥＡをセットした後に、カソード側セパレータ板１１０を組み付ける。セパレータ板は不透明であるため、ＭＥＡのカソードのガス拡散層とシール部材が接する様子を直接観察できないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行う。この際、ＭＥＡのカソードのガス拡散層がカソード側シール部材１５０の中心にセットされることが望ましい。しかし、治具のクリアランス、ＭＥＡの寸法誤差、セパレータ板の寸法誤差の集積により位置ずれが発生する。
従来の平板状のシール部材であれば、想定される位置ずれの上限付近では、ガス拡散層がシール部材に乗り上げ、シール性を確保できない。組み付け性を向上させるため、クリアランスを大きくとれば、ガスがそのクリアランスを通り電極に供給されなくなる。
【００８７】
一方、本発明によるくさび形状断面のシール部材を用いた場合は、寸法ずれによりシール部材１５０の低い部位１６３Ｌにガス拡散層が少し乗り上げても、くさび形状の高い部位１６３Ｈによってシールが行われるため、シール部材１５０の部片１５１の外側へのガス漏れはなく、シール性は確保可能となる。さらに、シール部材がくさび型であるために、シール部材とガス拡散層とのクリアランスは、セパレータ板の平面方向には大きく取れるものの、高さ方向には小さく抑えることができる。従って、ガスの吹き抜け、すなわちガス流路を通らずにクリアランス部を通ることによる発電性能の低下も起こらない。
【００８８】
以上の説明から明らかなように、部片１５１のうち、カソードを囲む部分、すなわち図３７に斜線で示した部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型であることが好ましい。部片１５１のその他の部分は、内側、外側いずれが薄くなるようなくさび型でもよいが、電極を囲む部分と同じように、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつのが好ましい。
【００８９】
本発明によるシール部材を用いた電池の組み立ては、上記のように、ガイドピンを有する治具上に、まずシール部材を接合したアノード側セパレータ板を置き、次いで、ＭＥＡをガイドピンに沿ってセットし、しかる後にカソード側セパレータ板を組み付けるという手順をとる。この手順によれば、アノードのガス拡散層がシール部材１８０の切り欠き部１８４の縁部に乗り上げないよう目視により慎重に組み付けることができる。こうして反応ガスの利用率が大きなアノード側における組み付け誤差による圧力損失のばらつきを少なくすることができる。一方、カソード側では、組み付けに際して、カソードのガス拡散層とシール部材が接する様子を直接観察できないが、くさび型断面のシール部材を用いることにより、組み付け誤差によるガス漏れを阻止することができる。
《実施例１》
【００９０】
アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持した。この触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエタノール分散液を混合し、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に塗布、乾燥し、電極触媒層を形成した。形成後の電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。
【００９１】
このようにして作製した同じ構成のカソードとアノードを、これら電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜に接するようにホットプレスによって接合して、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を１７５μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同じとし、電解質膜には後述する燃料ガス用、冷却水用、および酸化剤ガス用の各マニホールド孔に対応する孔を打ち抜き型により加工した。
【００９２】
本実施例で作製した燃料電池の各構成要素の構造を以下に説明する。
カソード側セパレータ板１１０およびアノード側セパレータ板１２０は、厚さ３ｍｍの気密な等方性黒鉛板に機械加工によりガス流路、マニホールド孔を形成して、上記に説明した構造に作製した。ガス流路および冷却水の流路は、溝幅１．５ｍｍ、ピッチ３ｍｍである。酸化剤ガスの流路は並行する７本の溝、燃料ガスの流路は並行する４本の溝、また冷却水の流路は並行する６本の溝からそれぞれ形成されたサーペンタイン型である。
【００９３】
次に、アノード側シール部材１８０は、一方の面に２５μｍ厚のブチルゴムからなる粘着剤層１９１を有し、他方の面に１２５μｍ厚のフッ素ゴムの層１９３を有する、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム１９２からなるシートを用いた。このシートにマニホールド孔、締結用ボルト孔、および電極に対応する部位（切り欠き部１８４）を抜き型で抜いてシール部材を作製した。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で０．２５ｍｍとなるようにした。
【００９４】
カソード側シール部材１５０は、厚さ１００μｍのポリイミドフィルム１６２の上に、フッ素ゴム１６３をシールが必要な個所を囲むように成形することにより作製した。フッ素ゴム１６３は、幅が３ｍｍで、高い方の高さが３００μｍ、低い方の高さが５０μｍのくさび型断面形状を持っている。すなわち、実施の形態１で説明したように、部片１５１は、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつようにした。また、部片１５２、１５３および１５３Ｂは、内側が厚く、外側が薄くなるようにした。ポリイミドフィルムへのフッ素ゴムの成形は、金型にポリイミドフィルムをセットして金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ2でフッ素ゴムを成型し、二次架橋は２００℃で１０時間行った。その後、２５μｍ厚のブチルゴムからなる粘着剤層１６１をポリイミドフィルムに転写接合し、粘着剤層の面はポリプロピレン製の離型フィルムでカバーした。このシートは、その後抜き型で抜いて、マニホールド孔、締結用ボルト孔、および電極に対応する部位を形成した。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で０．２５ｍｍとなるようにした。
【００９５】
こうして作製したシール部材１５０および１８０をそれぞれセパレータ板１１０および１２０にセットし、ホットプレスによりシール部材をセパレータ板に圧着させた。このとき温度は１００℃、プレス荷重は２０００ｋｇｆ、加圧時間は１分であった。
【００９６】
次に、上記に説明したように、ガイドピンを立てた組み立て用治具を準備し、そのガイドピンに沿ってアノード側セパレータ板、ＭＥＡ、カソード側セパレータ板を順に組み付け、単電池を５０セル積層した。ＭＥＡの電極面積は１００ｃｍ2である。このセルスタックを、集電板および絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより７００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。この結果、シール部材での反力は２００ｋｇｆであることがわかった。
【００９７】
このようにして作製した積層電池についてガスのリークチェックを行った。このときのリークチェックは、流路の出口側マニホールドを締め切り、入口側マニホールドからＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。酸化剤ガス側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。
【００９８】
《比較例３》
従来の平板状のシール部材を酸化剤ガス側のシールに用いた例を説明する。酸化剤ガス側のシール部材が平板になった以外は実施例１と同じである。実施例１と同様に組み立て治具を用いて単電池を５０セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は２０００ｋｇｆでＭＥＡにかかる面圧が１０ｋｇｆ／ｃｍ2であったため、締結は２０００ｋｇｆで行った。その結果、一部のセルにおいてガスの外部へのリークや酸化剤ガス側から燃料ガス側へのクロスリーク、あるいはその両方が発生し、シール不良が生じた。リークチェック条件は実施例１と同じである。
【００９９】
この試験を実施後、実施例１の電池と比較例３の電池を分解したところ、両電池ともにＭＥＡのカソード側ガス拡散層がカソード側シール部材の中心から多少ずれて組み付けられていた。実施例１の電池では、シールする部位がシール部材のくさび型断面の高い部位によって行われているため、多少シール部材にガス拡散層が乗り上げても、組み付け時のガス拡散層のずれ範囲ではシール性が確保可能であることがわかった。一方、比較例３の電池では、同様にガス拡散層とシール部材がずれていたが、平板状のシール部材では、一部でもガス拡散層がシール部材に乗り上げるとシール性が損なわれ、シール不良を招いていることがわかった。
【０１００】
次に、上記比較例３の電池のシール不良を起こしているセルを取り除き、リークチェックにより正常動作が可能な３０セルを選び、その３０セルの積層電池を作製した。これと実施例１の５０セル積層電池について電池性能を以下のようにして評価した。
【０１０１】
これら実施例１の電池および比較例３の燃料電池を７５℃に保持し、７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスをアノードに、６０℃の露点となるように加湿・加温した空気をカソードにそれぞれ供給した。その結果、両電池とも電流を外部に出力しない無負荷時には、実施例１の電池では５０Ｖ、比較例３の電池では３０Ｖの電池開放電圧を得た。クロスリーク、ショート等の不具合がないことが確認された。
【０１０２】
これらの電池を燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2で発電を開始させた。そして、燃料ガスの加湿を露点７０℃と一定にし、空気の加湿度合いを６０℃から５℃刻みで変更し、各条件で２４時間発電させた。各電池の電圧の安定性を図４４に示す。比較例３の積層電池は、酸化剤ガス側の露点が７０℃以上の条件で出力電圧が不安定となり、７５℃の露点では出力電圧の低下が確認された。これに対し実施例１の電池は、７５℃の露点まで安定した出力電圧が確認された。酸化剤ガス側の圧力損失は、比較例３の電池は実施例１の電池に比較し５％高く、７０℃ 以上の露点では圧力損失の振動が確認された。
上で評価した積層電池を分解してセパレータ板のガス流路を確認したところ、比較例３の電池では、カソード側セパレータ板のガス流路には実施例１の電池に比較して多くの水滴が存在していた。
【０１０３】
《比較例４》
比較例３の電池におけるカソード側シール部材とガス拡散層とのクリアランスを片側０．２５ｍｍから１．０ｍｍに拡大した電池を作製した。ガス拡散層とシール部材とのクリアランスを拡大した以外は、比較例３の電池と同じ構成の３０セル積層の電池を作製した。
【０１０４】
この電池を上記と同じ条件で評価したところ、電池開放電圧は３０Ｖであり、酸化剤ガスの露点を変化させた出力特性は、図４５に示す結果を得た。比較例４の電池は、比較例３の電池に比べて露点７５℃まで安定した出力電圧が確認された。ただし、安定した条件での出力電圧の絶対値は、比較例３より低いものであった。酸化剤ガス側の圧力損失の振動は見られなかった。
比較例４の電池を評価後分解し、カソード側セパレータ板のガス流路を観察したところ、実施例１の電池と同等な水滴の存在状況であった。
【０１０５】
固体高分子電解質型燃料電池では、カソード側で発電に伴う生成水が発生する。電池を安定的に発電させるためには、生成水を速やか、かつ安定的に排出することが重要である。生成水の排出が安定的でないと、反応ガスの供給が不安定となり、出力電圧が変動する。また、最悪の場合、反応ガスが供給されないために、電池が転極を引き起こし、電池の不可逆劣化を引き起こすこともある。
【０１０６】
実施例１と比較例３および４の評価、分析結果から、カソード側のガス拡散層とシール部材周囲とのクリアランスが生成水の排出に有効であり、安定した出力電圧を得る効果があることがわかった。
ただし、クリアランスが大きすぎると、電極反応に寄与せずにクリアランス部を通るガスの吹き抜けが大きくなり、出力電圧自体が低下することも確認された。その点、実施例１の電池は、必要かつ性能低下を引き起こさないクリアランスをカソード側に確保するに好適であることが確認された。
実施例１で用いたくさび型断面をもつシール方式は、Ｏ−リングを用いたシール方式に比較し、Ｏ−リングを嵌合する溝の必要性がないため、その分セパレータ板の厚さを薄くし、積層電池をコンパクトにできることは言うまでもない。
《実施例２》
【０１０７】
実施例１と同じＭＥＡ、シール部材およびセパレータ板を用い、実施例１と同様にして２０セル積層した。ただし、電極とシール部材の間の片側クリアランスが表１に示すように５つのパターンのセルスタックを作製した。それぞれのパターンのセルスタックの組み付け性を表２に示す。
【０１０８】
【表１】
2010092876.tif 000055
【０１０９】
以上の各セルスタックを集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより２０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【０１１０】
このようにして作製した積層電池について、実施例１と同じ条件で、ガスのリークチェックを行った。また、リークチェック後の積層電池を分解した。これらの結果も表２に示す。
【０１１１】
【表２】
2010092876.tif 000056
【０１１２】
この結果より、組み付け性、シールの信頼性の観点から、シール部材とガス拡散層とのクリアランスはパターン３以上、すなわち片側クリアランス（ｃｌ）が０．２５ｍｍ以上であることが好ましいことがわかる。パターン３の電池を実施例１と同様の条件で評価したところ、電池開放電圧で２０Ｖが得られ、クロスリーク、ショート等の問題がないことが確認された。さらに、酸化剤ガス側の露点を変えた場合の出力電圧特性は、露点７５℃まで安定した高い出力電圧１４Ｖ（単位セル当たり０．７Ｖ）を得ることが確認された。
【０１１３】
次に、セパレータ板の流路のパターンの違いと、ガス拡散層とシール部材間のクリアランスのパターンの違いで、単電池の圧力損失ばらつきを評価した。流路の形成方法、シール部材の作製方法、セルの組み立て方法、電池部材の構成は上述の方式と同様である。評価を行った組み合わせを表３に示す。圧力損失のばらつきは、常温で反応ガス利用率を４０％とした場合に想定される反応ガス流量に相当するドライ窒素ガスを入口側マニホールドから供給し、入口側マニホールドと出口側マニホールド間の圧力損失を計測した。評価結果を表４および図４６に示す。
【０１１４】
【表３】
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【０１１５】
【表４】
2010092876.tif 000058
【０１１６】
図４６は、ガス拡散層とシール部材との間に生じるクリアランスと、ガス流路との関係を、圧力損失のばらつき幅に着目して整理したグラフである。パラメーターは、カソード側セパレータ板のガス流路の長さ（Ｌ）、ガス流路の断面積の水力直径（Ｄ）、ガス流路のパス数（Ｐ）、クリアランス部の断面積の水力直径（ｄ）、クリアランス部の長さ（ｌ）で規定される値の比を考案し整理した。その結果、図４６に示すように、圧力損失ばらつきが０．２７を境に急激に減少する傾向を有することがわかった。ここで、ガス流路は１またはそれ以上の溝から構成され、「パス」とはそのガス流路の各溝を表す。
【０１１７】
図４３はガス拡散層とシール部材との間に生じるクリアランス部を示すモデルである。高分子電解質膜２０３を挟むカソード２０１およびアノード２０２の外周に、それぞれカソード側シール部材１５０およびアノード側シール部材１８０が位置する。これらをカソード側セパレータ板１１０とアノード側セパレータ板１２０で挟んでいる。カソード２０１とシール部材１５０の間のクリアランスがｌ1で、アノード２０２とシール部材１２０間のクリアランスがｌ2で示されている。カソード２０１とシール部材１５０間のクリアランス部の断面がＳで示されている。カソード側の水力直径は、次式で表される。
水力直径＝（断面Ｓの面積）÷（断面Ｓの周長さ）×４
【０１１８】
図４７は、圧力損失ばらつきをもった単電池を５０セル積層した電池Ｍの出力電圧特性を示す。この積層電池は、実施例１と同じセパレータ板を用い、シール部材は平板状のものを用いた。ガス拡散層とシール部材との間のクリアランスを調整して圧力損失のばらついた単電池を選別し、積層電池として組み上げた。その他の部材の構成は実施例１と同じである。
図４７には、比較例として、圧力損失ばらつきが０．５ｋＰａ以内に収まっている５０セルを積層した電池Ｎの出力電圧特性も併記した。比較例の結果より、圧力損失ばらつきが少ない場合には、出力電圧は各単電池でそろっており、ばらつきが少ないことが確認された。このことから、この積層電池のマニホールド構成およびガスフロー構成が各単電池に反応ガスを等分配することに問題がないことが確認された。
【０１１９】
圧力損失ばらつき幅が１．５ｋＰａ付近を境にそれ以上増加した場合、出力電圧の低下が確認された。これは、積層電池内で圧力損失にばらつきがあるため、反応ガス分配に差が生じ、反応ガスの流量が少ないセルの発電能力が低下したことに起因するものである。すなわち、積層電池内に組み込む単電池の圧力損失ばらつきを１．５ｋＰａ以内の収めることが積層電池性能の高出力化、安定化に有効であることが確認された。
【０１２０】
積層電池での出力電圧特性と圧力損失ばらつきの関係、および上で考察したパラメーター（流路長さと流路断面積の水力直径、流路パス数とクリアランス部の断面積の水力直径とクリアランス部の長さで規定される値の比）すなわち（ (ｌ／ｄ)／(Ｌ／Ｄ／Ｐ×２) ）と単位電池での圧力損失ばらつきの関係から、以下の式（３）を満足するクリアランスを確保することが重要であることを見出した。
【０１２１】
０．２７＜（ｌ／ｄ）／（Ｌ／Ｄ×２／Ｐ） （３）
【０１２２】
この式よりシール部材とガス拡散層間のクリアランスの水力直径ｄは、式（１）を満たすことが必要であると定義される。
【０１２３】
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ （１）
【０１２４】
本実施例の結果より、シール部材とガス拡散層間の片側クリアランスｃｌは、組み付け性、シール信頼性の観点から０．２５ｍｍ以上必要であり、積層電池の高出力化、安定化のために、片側クリアランスの水力直径ｄは式（１）を満足するクリアランスを確保することが重要である。
上記項目を満足する構成は、形状を問わないが、実施例１で適用したくさび断面をもつシール部材の構成が好適であり、かつこれをカソード側シール部材に用いることが好適であった。
《実施例３》
【０１２５】
実施例１と同じＭＥＡ、シール部材およびセパレータ板を用い、実施例１と同様にして２０セル積層して８種のセルスタックを作製した。これらのセルスタックは、電極とシール部材の間のクリアランスが異なり、従って、クリアランス部に生じる圧力損失Ｐｃとセパレータ板のガス流路に生じる圧力損失Ｐfが、表５に示すように、異なっている。圧力損失の比Ｐｃ／Ｐｆは、同じ種類のセルスタックでは、アノードおよびカソードで同じになるように設計した。セルスタックｇおよびｈでは、ガス流路のパターンは他のセルスタックと同じであるが、流路の断面積を大きくした。
【０１２６】
ここで、クリアランス部及びガス流路に発生する圧力損失は、それぞれの種類のセルスタックの単セルについてあらかじめ計測した。それらを積層電池でのクリアランス部に生じる圧力損失Ｐｃとセパレータ板のガス流路に生じる圧力損失Ｐfとした。具体的には、セパレータ板の流路のパターンの違いと、ガス拡散層とシール部材の間のクリアランスのパターンの違いで、単セルの圧力損失ばらつきを評価した。セルのガスの入口側と出口側とに、圧力を計測できるよう計測用圧力導入口を設けて、圧力損失を計測した。クリアランス部の圧力を計測する際は、セパレータ板のガス流路のうち電極に対応する部分およびガス拡散層には、シリコーン接着剤により目止めをした。また、ガス流路の圧力を計測する際は、クリアランス部とガス拡散層にシリコーン接着剤により目止めをした。圧力損失は、常温で反応ガス利用率を４０％とした場合に想定される反応ガス流量に相当するドライ窒素ガスを入口側マニホールドから供給して計測した。
【０１２７】
【表５】
2010092876.tif 000059
【０１２８】
以上の各セルスタックを集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、締結ロッドにより２０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の締結面圧を確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
このようにして作製した積層電池について、参考例１と同じ条件で、ガスのリークチェックを行った。その結果、どのセルスタックにおいてもシール性には問題はなかった。
【０１２９】
次に、それぞれのセルスタックを発電させ、そのときの電圧の安定性を評価した。その結果を表５に併せて示す。
この結果より、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比が０．９を境にセル電圧の安定性が大幅に変化していることがわかる。
本来、クリアランス部の圧力損失は大きく、即ちＰｃ／Ｐｆの値は大きく、従ってクリアランス部に流れるガス量は少なくなるように設計される。クリアランス部の圧力損失が小さい場合、即ちＰｃ／Ｐｆの値が小さい場合は、発電に必要なガスがクリアランス部を通過してしまい、本来流れるべきガス流路に流れにくくなる。その結果、発電に必要なガスが電極に供給されずに、電圧が不安定になる。
【０１３０】
本発明者らは、Ｐｃ／Ｐｆの値がある程度小さい場合においても、燃料電池の運転が可能であることを見いだした。すなわち、高分子電解質型燃料電池の発電時には、一般に、ガスは水分を含んでいる。一部では液滴等にもなっていることが想定される。従って、ガスの流れは二層流状態を呈している。クリアランス部の圧力損失とガス流路部の圧力損失の比Ｐｃ／Ｐｆが小さく、乾燥ガスであると、発電量に見合う量より少ない量のガスが流れるような条件下においても、前記の二層流の状態では、Ｐｃが増大する。このため、クリアランス部を通過するガスの量が下がり、運転が可能になる。
【０１３１】
以上のように、本発明者らは、実用的に運転が可能な領域が、クリアランス部の圧力損失Ｐｃとガス流路部の圧力損失Ｐfとの比で整理できることを見いだした。すなわち、０．９＜Ｐｃ／Ｐｆであることが有効であることを見いだした。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、コンパクトなシール部材で優れた気密性を発揮し、高信頼性であり、低コストで生産できる。従って、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等に利用できる。
【符号の説明】
【０１３３】
１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
４ａ、４ｂ ポリイミドフィルム
５ａ、５ｂ 粘着層
１０、５０ アノード側セパレータ板
２０、６０ カソード側セパレータ板
１２、２２、３２、４２、５２、６２ 燃料ガス用マニホールド孔
１３、２３、３３、４３、５３、６３ 酸化剤ガス用マニホールド孔
１２ｂ、２３ｂ、５２ｂ、６３ｂ ガス流路
１２ｃ、２３ｃ、５２ｃ、６３ｃ 連絡用ガス流路
３６、５６、７６ アノード側シール部材
３６ａ、５６ａ、７６ａ リブ
３０ アノード側シール用複合部材
４０ カソード側シール用複合部材
４６、６６ カソード側シール部材
５０ａ、６０ａ シール部材用溝
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する膜電極接合体と、
一対の燃料ガス用マニホールド孔および一対の酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記一対の燃料ガス用マニホールド孔に連絡されてアノードに燃料ガスを供給し排出するガス流路を有するアノード側セパレータ板と、
一対の燃料ガス用マニホールド孔および一対の酸化剤ガス用マニホールド孔、ならびに前記一対の酸化剤ガス用マニホールド孔に連絡されてカソードに酸化剤ガスを供給し排出するガス流路を有するカソード側セパレータ板と、
前記アノード側セパレータ板のアノード側表面に設けられたアノード側シール部材と、
前記カソード側セパレータ板のカソード側表面に設けられたカソード側シール部材と、
を具備し、
前記アノード側シール部材及び前記カソード側シール部材は、互いに対応する部分において、一方は線状の頂部を有するリブを有し、他方は面状の形状を有しており、
前記リブは、前記アノードまたは前記カソードを囲む部分において、内側が薄く、外側が厚くなる断面を有するくさび型である、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記一方のシール部材はカソード側シール部材であり、
前記カソード側シール部材は、
前記酸化剤ガスの流路および前記一対の酸化剤ガス用マニホールド孔をそれぞれ囲んで閉ループを構成する帯状の第１の部片と、
前記一対の燃料ガス用マニホールド孔をそれぞれ囲んで閉ループを構成する一対の帯状の第２の部片と、
第１の部片および第２の部片を連結する帯状の第３の部片と、からなり、
前記第１の部片は、内側が薄く、外側が厚くなる断面をもつくさび型であり、
前記第２の部片は、内側が厚く、外側が薄くなる断面をもつくさび型である、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記カソード側シール部材の前記カソードを囲む部分と前記カソードとの間に生じる片側クリアランスｃｌとそのクリアランス部の水力直径ｄが次式（１）：
ｄ＜（Ｄ×ｌ×Ｐ）／０．５４Ｌ      （１）
ただし、
ｌ：片側クリアランス部の長さ
ｄ：片側クリアランス部の水力直径
Ｌ：カソード側セパレータ板の１パス当たりのガス流路の長さ
Ｄ：カソード側セパレータ板の１パス当たりのガス流路の水力直径
Ｐ：カソード側セパレータ板当たりのガス流路のパス数
水力直径ｄ＝（クリアランス部の断面積）÷（クリアランス部の断面部分の周長）×４
を満たす請求項１又は２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
さらに片側クリアランスｃｌが次式（２）：
０．２５ｍｍ＜ｃｌ （２）
を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
電極とガスシール部材との間のクリアランスに基づく圧力損失Ｐｃと電極に対応するガス流路で生じる圧力損失Ｐｆとの比Ｐｃ／Ｐｆが０．９より大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。