(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池単セルを積層して構成される燃料電池の周縁において、隣接するセパレータどうしをシールする方法において、
隣接するセパレータのそれぞれの内面に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材を配置し、この端部シール部材どうしを、弾性シートを介して接合することを特徴とする燃料電池のシール方法。
【請求項２】
前記樹脂フィルムとして、フッ素樹脂系フィルムを用いる、請求項１記載の燃料電池のシール方法。
【請求項３】
前記弾性シートとして、フッ素樹脂系多孔質シートを用いる、請求項１又は２記載の燃料電池のシール方法。
【請求項４】
前記セパレータと前記樹脂フィルムとを、フッ素樹脂系接着層を介して接合する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池のシール方法。
【請求項５】
前記端部シール部材本体として、膨張黒鉛シートを用いる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池のシール方法。
【請求項６】
前記端部シール部材本体として、角部及び／又は辺部の少なくとも一部が面取り加工されているものを用いる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池のシール方法。
【請求項７】
前記端部シール部材本体として、辺部の少なくとも一部が円弧状に形成されているものを用いる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池のシール方法。
【請求項８】
複数の電池単セルを積層して構成される燃料電池の周縁において、隣接するセパレータどうしをシールする構造において、
隣接するセパレータのそれぞれの内面に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項９】
前記樹脂フィルムがフッ素樹脂系フィルムである、請求項８記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１０】
前記弾性シートがフッ素樹脂系多孔質シートである、請求項８又は９記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１１】
前記セパレータと前記樹脂フィルムとが、フッ素樹脂系接着層を介して接合されている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１２】
前記端部シール部材本体が、膨張黒鉛シートである、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１３】
前記端部シール部材本体の角部及び／又は辺部の少なくとも一部が面取り加工されている、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１４】
前記端部シール部材本体の辺部の少なくとも一部が円弧状に形成されている、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項１５】
電解質層と、該電解質層の両外面に配設された電極層と、各電極層の両外面に配設されたガス流路を有する多孔質基材とで構成された電池単セルを、セパレータを介して複数積層した燃料電池において、
隣接するセパレータ間であって、それぞれの多孔質基材の外周に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
電解質層と、該電解質層の両面に配置された電極層と、各電極層の両外面に配置されたガス流路を有するセパレータとで構成された電池単セルを複数積層した燃料電池において、
隣接するセパレータ間であって、それぞれの電極層の外周に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
前記樹脂フィルムがフッ素樹脂系フィルムである、請求項１５又は１６記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記弾性シートがフッ素樹脂系多孔質シートである、請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記セパレータと前記樹脂フィルムとが、フッ素樹脂系接着層を介して接合されている、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記端部シール部材本体が、膨張黒鉛シートである、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記端部シール部材本体の角部及び／又は辺部の少なくとも一部が面取り加工されている、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記端部シール部材本体の辺部の少なくとも一部が円弧状に形成されている、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、更に詳しくは、燃料電池の端部シール方法及びシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、りん酸形燃料電池の基本単位となる電池単セルの一般的な構成を示す斜視図であり、図１１は、同電池単セルの分解断面図であり、図１２は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図であり、図１３は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【０００３】
図１０〜１３に見られるように、りん酸形燃料電池の電池単セル１０は、電解質層１１を、燃料電極１２と、酸化剤電極１３とで挟持し、その外面に燃料ガス流路付多孔質基材１４ａと酸化剤ガス流路付多孔質基材１４ｂとをそれぞれ配して構成される。そして、このようにして構成される電池単セル１０を、ガス不透過性の良導電性材料よりなるセパレータ１５で遮蔽し、電池単セル１０とセパレータ１５を所望の電圧となるように所定数を積層し、両端を冷却板で閉じて、最終的に締め付けられてりん酸形燃料電池が形成される。また、電池単セル１０の端部から反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が漏洩すると、開回路電圧の低下につながり、ガス利用率の低下、安全性の低下などの不具合につながることから、それぞれの多孔質基材の外周に端部シール部材１６を配置し、積層構造体を締め付ける際に、図１３に示すように、端部シール部材１６を押し潰してシール性を保持している。なお、図中の１７は、フレームシートであって、額縁状のプラスティックシートである。端部シール部材１６の端部エッジのコーナー部では２枚のシールが重なり段差が発生するので、見かけ上、平坦な１枚のシートにするため、フレームシート１７が配置される。
【０００４】
電池単セル１０の積層構造体を締め付ける際における端部シール部材１６の潰れ率（＝圧縮率）は、電池単セル１０の各構成材料の厚みで決まる。電池単セル１０の各構成材料の厚みは規定されているが、加工精度によってバラつきが生じることがある。このため、構成部材の加工精度による厚み寸法のバラつきによって、端部シール部材１６の圧縮率が変化する。端部シール部材１６の圧縮率が小さいと、電池単セル１０のエッジ界面からのガス漏れが懸念される。また、端部シール部材１６の圧縮率が大きいと、電池単セル１０の端部エッジが挫屈したり、偏った圧力集中などの不具合が懸念される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、電解質膜を介在させた空気電極と燃料電極とをガス供給溝を有するセパレータによりガスケットを介装して挟持された電池単セルが積み重ねられている燃料電池において、セパレータに電極を収容する凹部を設けることで、ガスケットの十分な圧縮後に電極が圧縮されるようになって、電極層の圧縮し過ぎによるガス拡散能の低下を防止する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池の端部シール部材として、膨張黒鉛を用い、膨張黒鉛の嵩密度を調整することで、最適な圧縮歪を調整することが開示されている。
【０００７】
また、特許文献３、４には、端部シール部材とセパレータとの間に接着剤を塗布して端部シール部材とセパレータとを接合することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２６３００４号公報
【特許文献２】特開２００１−２３６５４号公報
【特許文献３】特開昭６２−２２３９７４号公報
【特許文献４】特開平４−２８２５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の方法では、ガス流路付の多孔質基材に、電極を収容する凹部を形成する必要があったので、加工に手間がかかり、材料コストがかさむ問題があった。更には、端部シール部材の圧縮率を一定にするには、各構成材料の厚さの精度に加え、凹部の厚み方向の寸法を精度よく加工する必要があったので、より高い加工精度が要求される。
【００１０】
また、特許文献２では、燃料電池の端部シール部材として弾性のある膨張黒鉛を用い、締付け圧力で膨張黒鉛を押し潰してシールを行っているが、十分なシール性を確保するには燃料電極、酸化剤電極およびガス流路付の基材などの構成部材厚みの寸法精度差を吸収するために最適な圧縮歪が必要になる。ここでは膨張黒鉛の嵩密度を規定しているが、膨張黒鉛を均一な嵩密度で制御し、且つ、シールとなる燃料電極側と酸化剤電極側のエッジ界面を均等な圧縮率ですき間なく長時間保持するのは、極めて困難であった。
【００１１】
また、特許文献３，４に開示された方法では、端部シール部材とセパレータとの間の気密性は高められるものの、端部シール部材間のシール性は向上できなかった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、電池単セルの各構成部材の寸法精度誤差を吸収して十分なシール性能が確保できる燃料電池のシール方法、燃料電池のシール構造、及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するにあたって、本発明の第１は、複数の電池単セルを積層して構成される燃料電池の周縁において、隣接するセパレータどうしをシールする方法において、
隣接するセパレータのそれぞれの内面に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材を配置し、この端部シール部材どうしを、弾性シートを介して接合することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２は、複数の電池単セルを積層して構成される燃料電池の周縁において、隣接するセパレータどうしをシールする構造において、
隣接するセパレータのそれぞれの内面に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３は、電解質層と、該電解質層の両外面に配設された電極層と、各電極層の両外面に配設されたガス流路を有する多孔質基材とで構成された電池単セルを、セパレータを介して複数積層した燃料電池において、
隣接するセパレータ間であって、それぞれの多孔質基材の外周に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４は、電解質層と、該電解質層の両面に配置された電極層と、各電極層の両外面に配置されたガス流路を有するセパレータとで構成された電池単セルを複数積層した燃料電池において、
隣接するセパレータ間であって、それぞれの電極層の外周に、平均かさ密度０．５〜１．７ｇ／ｃｃの材料からなる端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材が配置され、この端部シール部材どうしが、弾性シートを介して接合されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、樹脂フィルムはその表面が平滑であるため、セパレータとの密着性が良い。このため、隣接するセパレータのそれぞれの内面に、端部シール部材本体を樹脂フィルムで被覆してなる端部シール部材を配置することで、端部シール部材の圧縮率が小さくても、端部シール部材が、セパレータに対しほぼ隙間なく密着して張り付くので、良好なシール性が得られる。そして、端部シール部材どうしの間に、弾性シートを配置することで、端部シール部材の圧縮率を大きくしても、締め付け荷重が弾性シートによって吸収されるので、端部の挫屈や偏った応力集中等の不具合を抑制できる。その結果、電池単セルの各構成部材の寸法精度誤差を吸収して十分なシール性能が確保できる。
【００１８】
本発明は、上記第１〜第４において、前記樹脂フィルムとして、フッ素樹脂系フィルムを用いることが好ましい。
【００１９】
本発明は、上記第１〜第４において、前記弾性シートとして、フッ素樹脂系多孔質シートを用いることが好ましい。
【００２０】
上記各態様によれば、シール部における耐熱性、耐食性などの耐久性をより向上できるので、長期にわたって良好なシール状態を確保できる。
【００２１】
本発明は、上記第１〜第４において、前記セパレータと前記樹脂フィルムとを、フッ素樹脂系接着層を介して接合することが好ましい。この態様によれば、セパレータと樹脂フィルムとの密着性が向上し、セパレータと樹脂フィルムとの間からのガスリークを防止して、シール性能がより向上する。
【００２２】
本発明は、上記第１〜第４において、端部シール部材本体として膨張黒鉛シートを用いることが好ましい。膨張黒鉛シートは柔軟性があり、ガス不透過性、耐食性に優れるので、シール性能をより向上できる。
【００２３】
本発明は、上記第１〜第４において、前記端部シール部材本体として、角部及び／又は辺部の少なくとも一部が面取り加工されているもの、もしくは、辺部の少なくとも一部が円弧状に形成されているものを用いることが好ましい。この態様によれば、端部シール部材本体を被覆する樹脂フィルムが熱収縮したり、端部シール部材本体が熱膨張しても、該樹脂フィルムに応力集中が発生し難くなるので、樹脂フィルムの損傷を抑制できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電池単セルの各構成部材の寸法精度誤差を吸収して十分なシール性能が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態における、燃料電池の基本単位となる電池単セルの分解断面図である。
【図２】同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図である。
【図３】同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【図４】端部シール部材本体の概略図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における、燃料電池の基本単位となる電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における、燃料電池の基本単位となる電池単セルの分解断面図である。
【図７】同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図である。
【図８】同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【図９】実施例２の燃料電池を構成する電池単セルの端部シール部材とセパレータとの接合界面の状態を記す断面写真である。
【図１０】従来のりん酸形燃料電池の基本単位となる電池単セルの一般的な構成を示す斜視図である。
【図１１】同燃料電池の基本単位となる電池単セルの分解断面図である。
【図１２】同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図である。
【図１３】同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の燃料電池の第１の実施形態について、図１〜３を用いて説明する。図１は、燃料電池の基本単位となる電池単セル２０の分解断面図であり、図２は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図であり、図３は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【００２７】
図１〜３に示すように、この電池単セル２０は、電解質層２１を、燃料電極２２と、酸化剤電極２３とで挟持し、それぞれの電極の外面に、燃料ガス流路付の多孔質基材２４ａと酸化剤ガス流路付の多孔質基材２４ｂとを配して構成される。また、それぞれの多孔質基材２４ａ，２４ｂの外周には、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０が配置されている。また、各端部シール部材３０の上面には、弾性シート３３が配置されている。また、各弾性シート３３の間には、額縁状に切り抜かれたフレームシート３５が配置されている。
【００２８】
この電池単セル２０は、セパレータ２５を介して複数積層され、電池単セル積層体の両端を冷却板で閉じて、最終的に締め付けられて燃料電池が形成される。この電池単セル２０の端部は、図３に示すように、電池単セル積層体の締め付け時の締め付け圧によって、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５が押しつぶされてシールされる。
【００２９】
上記端部シール部材３０は、例えば、端部シール部材本体３１の周囲に、チューブ状の樹脂フィルム３２を装着させ、樹脂チューブの熱収縮温度（例えば、フッ素系樹脂フィルムの場合は約３００℃）で加熱することで製造できる。
【００３０】
端部シール部材本体３１は、柔軟性、ガス不透過性、耐食性に優れた材質が好ましく用いられ、膨張黒鉛シートが特に好ましく用いられる。
【００３１】
また、端部シール部材本体３１は、図４（ａ）〜（ｅ）に示す形状をなすものが好ましく用いられる。図４（ａ）は、角形状に成形された端部シール部材本体である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す端部シール部材本体の角部３１ａを三角形状に面取り加工した端部シール部材本体である。図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す端部シール部材本体の辺部３１ｂを面取り加工した端部シール部材本体である。図４（ｄ）は、図４（ａ）に示す端部シール部材本体の角部３１ａ及び辺部３１ｂを面取り加工した端部シール部材本体である。図４（ｅ）は、辺部の四辺を円弧状に成形した端部シール部材本体である。なかでも、図４（ｂ）〜（ｅ）に示す形状をなす端部シール部材本体が好ましい。角部や辺部が面取り加工されていたり、辺部が円弧状に形成されている端部シール部材本体は、樹脂フィルムが熱収縮したり、端部シール部材本体３１が熱膨張しても、端部シール部材本体を覆う樹脂フィルムに応力集中が発生し難くなる。このため、端部シール部材３０の樹脂フィルム３２の損傷を効果的に抑制でき、電極間の短絡の発生を効果的に抑制できる。
【００３２】
角部を面取り加工する場合（図４（ｂ）、（ｄ））は、一辺が０．１〜０．５ｍｍの三角形状に面取り加工することが好ましい。一辺の長さが０．１ｍｍ未満であると、応力集中の回避の効果が乏しい。また、０．５ｍｍを超えると、樹脂フィルム３２と端部シール部材本体３１とを一体化させにくくなる。
【００３３】
辺部を面取り加工する場合（図４（ｃ）、（ｄ））は、辺の短手方向に０．１〜０．５ｍｍ面取り加工することが好ましい。０．１ｍｍ以下では応力集中の回避の効果が乏しい。また、０．５ｍｍを超えると、端部シール部材本体の側部に突起を形成させてしまう可能性があり、熱収縮の際、応力集中を招く恐れがある。
【００３４】
辺部を円弧状に形成する場合（図４（ｅ））は、オーバル型の円弧状に成形することが好ましい。この場合、円弧の半径は、端部シール部材本体の厚みの１／２相当となる。
【００３５】
端部シール部材本体３１の平均かさ密度は、０．５〜１．７ｇ／ｃｃが好ましく、０．８〜１．５ｇ／ｃｃがより好ましい。平均かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ未満であると、端部シール部材本体のガス透過量が増大する傾向があり、シール性が充分得られない傾向にあり、１．７ｇ／ｃｃを超えると、端部シール部材本体の柔軟性が低下し、締め付け時に圧縮し難くなる傾向にある。
【００３６】
端部シール部材本体３１の厚みは、１．０〜２．０ｍｍが好ましく、１．４〜１．８ｍｍがより好ましい。厚みが１．０ｍｍ未満であると、電極層と外周の厚みの違いで生じるすき間が小さくなり、弾性シートの圧縮が不足する傾向にあり、厚みが２．０ｍｍを超えると、逆に電極層と外周の厚みの違いで生じる隙間が大きくなり、締付けたときに弾性シートが圧縮しきっても電極層に隙間が残ってしまい、さらに締付けると端部シール部材本体を座屈させてしまうことがある。
【００３７】
端部シール部材３０に用いる樹脂フィルム３２としては、特に限定はなく、耐熱性と耐食性を兼ね備えた材質からなるものが好ましく用いられる。特に耐熱性、耐食性に優れるという理由から、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂フィルムが特に好ましく用いられる。
【００３８】
樹脂フィルム３２の厚みは、２０〜１００μｍが好ましく、４０〜８０μｍがより好ましい。厚みが２０μｍ未満であると、強度不足となる傾向にあり、１００μｍを超えると、剛性が高くなりすぎて端部シール部材本体の形状に沿わないことがある。また、樹脂フィルム３２の表面粗度Ｒａは、０．０１〜２μｍが好ましく、０．０５〜１μｍがより好ましい。表面粗度Ｒａが０．０１μｍ未満を実現しようとすると、樹脂フィルム３２の厚みが大きくなる傾向にあり、材料コスト的にもかさむ傾向にある。また、２μｍを超えると、平滑性がなくなり、低圧縮率となった場合、界面のすき間からガス漏れが生じ易くなる傾向にある。
【００３９】
端部シール部材３０の上面に配置される弾性シート３３としては、特に限定はなく、フッ素系多孔質シート、発泡ウレタンシート、シリコーンゴム等が挙げられる。特に耐熱性、耐食性に優れるという理由から、フッ素系多孔質シートが特に好ましく用いられる。
【００４０】
弾性シート３３の圧縮弾性率は、電池単セル積層体の締め付け圧に応じて異なるので特に限定はしないが、例えば、締め付け圧が０．２〜０．５ＭＰａの場合、弾性シート３３の圧縮弾性率は、０．３〜１ＭＰａが好ましく、０．５〜０．８ＭＰａがより好ましい。
【００４１】
弾性シート３３の厚みは、０．２〜１．０ｍｍが好ましく、０．３〜０．８ｍｍがより好ましい。厚みが０．２ｍｍ未満であると、シール性能が不足する傾向にあり、厚みが１．０ｍｍを超えると、材料費が増加して高コストとなる傾向にある。
【００４２】
次に、本発明の燃料電池のシール方法について説明する。
【００４３】
図２に示すように、隣接するセパレータ２５，２５のそれぞれの内面であって、電池単セル２０の外周に、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０を配置する。そして、それぞれの端部シール部材３０，３０の上面に弾性シート３３を配置し、各弾性シート３３の間に、額縁状のフレームシート３５を配置する。そして、セパレータ２５，２５の外側から締め付け荷重をかけ、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５を圧縮する。これによって、図３に示すように、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５が押しつぶされて端部エッジ部分がシールされる。
【００４４】
圧縮率は、特に限定はないが、１０〜８０％が好ましく、３０〜６０％がより好ましい。上記圧縮率であれば、高いシール性が得られ、更には、端部の強度低下が生じにくい。なお、この実施形態において、圧縮率は、以下の式（１）で算出した値である。
【００４５】
【数１】
0005482076.tif 000002
【００４６】
本発明の燃料電池のシール方法によれば、樹脂フィルム３２はその表面が平滑であるため、セパレータ２５との密着性が良い。このため、隣接するセパレータ２５，２５のそれぞれの内面に、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０を配置することで、圧縮率が小さくても、端部シール部材が、セパレータに対しほぼ隙間なく密着して張り付くので、良好なシール性が得られる。そして、端部シール部材の上面に、弾性シート３３を配置することで、端部シール部材３０の圧縮率を大きくしても、荷重が弾性シート３３によって吸収される。このため、電池単セルの端部の挫屈や偏った応力集中等の不具合を効果的に抑制でき、電池単セルの構成材料の寸法にバラつきが生じても、良好なシール性が得られる。
【００４７】
本発明の燃料電池の第２の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、燃料電池の基本単位となる電池単セル２０の端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【００４８】
この実施形態では、端部シール部材３０とセパレータ２５とが、フッ素樹脂系接着層５０を介して接合している点が、上記第１の実施形態と相違する。
【００４９】
端部シール部材３０とセパレータ２５とをフッ素樹脂系接着層５０を介して接合するには、電池単セルを組み立てる際に、セパレータ２５と、端部シール部材３０との接合面に、シート型のフッ素樹脂を配置する、あるいは、塗布型のフッ素樹脂を塗布し、セパレータ２５と端部シール部材３０とを接合する。
【００５０】
フッ素樹脂系接着層５０を構成するフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等が挙げられる。なかでも、軟化温度が低いという理由からＦＥＰが好ましい。
【００５１】
上記フッ素樹脂の軟化温度は、２００〜２５０℃が好ましく、２１０〜２４０℃がより好ましい。軟化温度が２００℃以下であると、燃料電池の運転温度においては、フッ素樹脂系接着層５０が部分的に硬くなってしまい、セパレータ２５と端部シール部材３０との接着性にムラが生じる。また、軟化温度が２５０℃を超えるものは素材そのものに制限がかかり現実的ではない。
【００５２】
セパレータ２５と、端部シール部材３０とを接合する際の接合条件は、接合温度が燃料電池の運転温度以上が好ましく、２００〜２４０℃がより好ましい。また、接合圧力は、端部シール部材３０を座屈させない圧力以下で行うことが好ましく、０．５〜３．０ＭＰａがより好ましい。接合圧力が０．５ＭＰａ未満であると、セパレータ２５と端部シール部材３０との密着性が十分でないことがある。接合圧力が３．０ＭＰａを超えると、端部シール部材３０が破壊される恐れがある。
【００５３】
これにより、セパレータ２５と端部シール部材３０とが、フッ素樹脂系接着層５０を介して接合される。そして、上記第１の実施形態と同じように、それぞれの端部シール部材３０，３０の上面に弾性シート３３を配置し、各弾性シート３３の間に、額縁状のフレームシート３５を配置し、セパレータ２５，２５の外側から締め付け荷重をかけ、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５を圧縮することにより、図５に示されるように、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５が押しつぶされて端部エッジ部分がシールされる。
【００５４】
この実施形態では、セパレータ２５と端部シール部材３０とが、フッ素樹脂系接着層５０を介して接合しているので、セパレータ２５と端部シール部材３０との密着性が高い。このため、セパレータ２５と端部シール部材３０との間からのガスリークが抑制され、より優れたシール性能が得られる。
【００５５】
本発明の燃料電池の第３の実施形態について、図６〜８を用いて説明する。図６は、燃料電池の基本単位となる電池単セル４０の分解断面図であり、図７は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮前の状態の断面図であり、図８は、同電池単セルの端部シール部材の圧縮後の状態の断面図である。
【００５６】
図８に示すように、この電池単セル４０は、電解質層４１を、燃料電極４２と、酸化剤電極４３とで挟持し、それぞれの電極の外面に、酸化剤ガス流路付の多孔質基材からなるセパレータ４４ａと燃料ガス流路付の多孔質基材からなるセパレータ４４ｂとを配して構成される。また、それぞれの電極４２、４３の外周には、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０が配置されている。また、各端部シール部材３０の上面には、弾性シート３３が配置されている。また、各弾性シート３３の間に、額縁状のフレームシート３５が配置されている。
【００５７】
この実施形態では、図７に示すように、隣接するセパレータ４４ａ，４４ｂのそれぞれの内面であって、各電極４２，４３の外周に、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０を配置し、それぞれの端部シール部材３０，３０の上面に弾性シート３３を配置し、各弾性シート３３の間に、額縁状のフレームシート３５を配置したのち、セパレータ４４ａ，４４ｂの外側から締め付け荷重をかけ、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５を圧縮する。これによって、図８に示すように、端部シール部材３０、弾性シート３３、フレームシート３５が押しつぶされて端部エッジ部分がシールされる。
【００５８】
圧縮率は、特に限定はないが、１０〜８０％が好ましく、３０〜７０％がより好ましい。上記圧縮率であれば、高いシール性が得られ、更には、端部の強度低下が生じにくい。なお、この実施形態において、圧縮率は、以下の式（２）で算出した値である。
【００５９】
【数２】
0005482076.tif 000003
【００６０】
この実施形態の燃料電池においても、上記第１の実施形態同様、隣接するセパレータ４４ａ，４４ｂのそれぞれの内面に、端部シール部材本体３１を樹脂フィルム３２で被覆してなる端部シール部材３０が配置されているので、圧縮率が小さくても、端部シール部材が、各多孔質基材に対しほぼ隙間なく密着して張り付き、良好なシール性が得られる。そして、端部シール部材の上面に、弾性シート３３が配置されているので、端部シール部材３０の圧縮率を大きくしても、荷重が弾性シート３３によって吸収される。このため、電池単セルの端部の挫屈や偏った応力集中等の不具合を効果的に抑制でき、電池単セルの構成材料の寸法にバラつきが生じても、良好なシール性が得られる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例、比較例を用いて本発明の作用効果を説明する。なお、以下の実施例及び比較例で用いたガス流路付き多孔質基材、電解質層、燃料電極、酸化剤電極、端部シール部材（ＰＦＡフィルム被覆膨張黒鉛シート）、弾性シート（ＰＴＦＥ多孔質シート）は、表１に示すような標準偏差を持つものを用いた。
【００６２】
【表１】
0005482076.tif 000004
【００６３】
［試験例１］
（実施例１）
図４（ａ）に示す角形状の膨張黒鉛シート（商品名「ニカフィルムＦＬ−４００」、日本カーボン（株）製、厚さ１．６ｍｍ、かさ密度１．２ｇ／ｃｍ３）を、熱収縮性のあるチューブ状フッ素系フィルム（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、商品名「ＳＭＴ」、グンゼ（株）製、厚さ＝５０μｍ、表面粗さＲａ＝０．０５μｍ）に挿入し、２６０℃、２時間で熱収縮させて端部シール部材を得た。この端部シール部材は、膨張黒鉛の周囲にＰＦＡチューブがしっかりと密着していた。
次に、電解質層２１を、燃料電極２２及び酸化剤電極で挟持し、各電極の外側にガス流路付き多孔質基材を配置した。そして、隣接するセパレータの内面であって、それぞれの多孔質基材の外周に、上記端部シール部材を配置した。そして、ＰＴＦＥ多孔質シート（商品名「ＳＭ−８６０」、ゴアテックス（株）製、厚み＝０．５ｍｍ、かさ密度＝０．３２６５ｇ／ｃｍ３、圧縮弾性率＝０．６ＭＰａ）を端部シール部材上に配置し、締め付け圧０．３ＭＰａで締め付け、圧縮率５〜８０％で端部をシールし、図３に示す断面形状をなす電池単セルを製作し、燃料電池を得た。
【００６４】
（比較例１）
実施例１において、端部シール部材として、膨張黒鉛シート（日本カーボン（株）製、型式：「ニカフィルムＦＬ−４００」、厚さ１．６ｍｍ、かさ密度１．２ｇ／ｃｍ３）を用い、端部シール部材上にＰＴＦＥ多孔質シートを配置しなかった以外は実施例１と同様にして圧縮率５〜８０％で端部をシールし、燃料電池を得た。
【００６５】
（比較例２）
実施例１において、端部シール部材（ＰＦＡフィルム被覆膨張黒鉛シート）上にＰＴＦＥ多孔質シートを配置しなかった以外は実施例１と同様にして圧縮率５〜８０％で端部をシールし、燃料電池を得た。
【００６６】
（比較例３）
実施例１において、端部シール部材として、膨張黒鉛シートを用いた以外は実施例１と同様にして圧縮率５〜８０％で端部をシールし、燃料電池を得た。
【００６７】
実施例１、２及び比較例１〜３の燃料電池のガス漏れ量（単位：ｍｌ／ｍｉｎ）を測定した。ガス漏れ量は、１００ｍｍＡｑ差圧下で、窒素ガスにて行った。結果を表２に示す。また、表３に、実施例１，２及び比較例１〜３の燃料電池の端部シール構造の構成素材を記す。また、図９に実施例２の燃料電池を構成する電池単セルの端部シール部材とセパレータとの接合界面の状態を記す断面写真を示す。
【００６８】
【表２】
0005482076.tif 000005
【００６９】
【表３】
0005482076.tif 000006
【００７０】
上記結果より、実施例１，２の燃料電池は、構成材料の寸法がばらつきにより変化した場合であっても、圧縮率５〜８０％という広範囲で高いシール性を保持でき、特に圧縮率が１０%以上であれば、ガス漏れ量が５０ｍｌ／ｍｉｎ以下であり、十分なシール性が得られた。なかでも、端部シール部材とセパレータと、フッ素樹脂接着層を介して接合した、実施例２の燃料電池は、特に優れたシール特性を保持できた。
これに対し、ＰＴＦＥ多孔質シート（弾性シート）を使用していない比較例１，２は、圧縮率を上げると、端部の強度低下が起こり、挫屈等が生じた。また、樹脂フィルムで被覆していない膨張黒鉛シートを使用した比較例１，３は、シール性が悪く、特に圧縮率が低い場合でのシール性が悪かった。
【００７１】
（実施例２）
実施例１において、端部シール部材とセパレータとの界面に、フッ素樹脂シート（商品名「ＦＥＰシート」、淀川ヒューテック（株）製、軟化温度２００〜３００℃、厚さ２５μｍ）を設置し、３００℃、２．０ＭＰａの条件で２０分間にて、端部シール部材とセパレータとを接合した以外は、実施例１と同様に行い、図５に示す断面形状をなす電池単セルを製作し、燃料電池を得た。
この電池単セルのセパレータとフッ素樹脂系接着層との接着強度は０．２Ｎ／ｍｍであり、端部シール部材とフッ素樹脂系接着層は０．１Ｎ／ｍｍであり、十分な接着強度を有していた。なお、接着強度は、引張り試験機（ＡＧ−５０ｋＮＸ、島津製作所）を用い、２５℃にて１８０°ピール強度の条件で測定した値である。
【００７２】
（実施例３）
実施例１において、膨張黒鉛シートとして、角部３１ａを一辺０．５ｍｍの三角形状に面取り加工をした、図４（ｂ）に示す膨張黒鉛シートを用いた以外は、実施例１と同様に行い、燃料電池を得た。
【００７３】
（実施例４）
実施例１において、膨張黒鉛シートとして、辺部３１ｂを短手方向に０．５ｍｍ面取り加工をした、図４（ｃ）に示す膨張黒鉛シートを用いた以外は、実施例１と同様に行い、燃料電池を得た。
【００７４】
（実施例５）
実施例１において、膨張黒鉛シートとして、角部３１ａを一辺０．５ｍｍの三角形状に面取り加工をし、辺部３１ｂを短手方向に０．５ｍｍの面取り加工をした、図４（ｄ）に示す膨張黒鉛シートを用いた以外は、実施例１と同様に行い、燃料電池を得た。
【００７５】
（実施例６）
実施例１において、膨張黒鉛シートとして、辺部１６ａが半径寸法Ｒ＝０．８ｍｍにＲを形成した、図４（ｅ）に示す膨張黒鉛シートを用いた以外は、実施例１と同様に行い、燃料電池を得た。
【００７６】
実施例１，３〜６の燃料電池に用いた端部エッチ部材の、膨張黒鉛シートの角部３１ａ、辺部３１ｂ、面部３１ｃに接する部分の樹脂フィルムの１９０℃における破断強度を調べた。結果を表４に記す。
なお、破断強度は、引張り試験機（型式「ＡＧ−５０ＫＮＸ」、島津製作所）を用い、２５℃、引張り速度１００ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定した。
【００７７】
【表４】
0005482076.tif 000007
【００７８】
上記結果より、角部や辺部が面取り加工されていたり、辺部が円弧状に形成されている黒鉛膨張シートを用いた実施例３〜６は、角部３１ａ、辺部３１ｂにおける破断強度が高かった。また、樹脂フィルムの破損による電極間の短絡の有無を評価したところ、実施例１，３〜６の燃料電池は、いずれも６．５万時間までは、短絡は生じなかった。なかでも、実施例５の燃料電池は、１３万時間を超えても短絡は生じなかった。
【符号の説明】
【００７９】
１０，２０，４０：電池単セル
１１，２１，４１：電解質層
１２，２２，４２：燃料電極
１３，２３，４３：酸化剤電極
１４ａ，２４ａ：燃料ガス流路付多孔質基材
１４ｂ，２４ｂ：酸化剤ガス流路付多孔質基材
１５，２５：セパレータ
１６：端部シール部材
１７，３５：フレームシート
３０：端部シール部材
３１：端部シール部材本体
３２：樹脂フィルム
３３：弾性シート
４４ａ，４４ｂ：ガス流路付きセパレータ
５０：フッ素樹脂系接着層
【図１】
0005482076.tif 000008
【図２】
0005482076.tif 000009
【図３】
0005482076.tif 000010
【図４】
0005482076.tif 000011
【図５】
0005482076.tif 000012
【図６】
0005482076.tif 000013
【図７】
0005482076.tif 000014
【図８】
0005482076.tif 000015
【図１０】
0005482076.tif 000016
【図１１】
0005482076.tif 000017
【図１２】
0005482076.tif 000018
【図１３】
0005482076.tif 000019
【図９】
0005482076.tif 000020