(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
アノードおよびカソードを有する発電体と、
前記発電体のアノード側に配置されたアノード側セパレータと、
前記発電体のカソード側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間であって、前記発電体の周囲に設けられ、前記燃料電池内を流れる流体をシールするシール材と、
を備え、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータには、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの相対的な位置決めを行うときに、位置決め用冶具がそれぞれ挿入される複数の基準穴がそれぞれ形成されており、
前記シール材は、粘性を有する粘性シール材を硬化してなり、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータは、前記シール材が設けられる領域において、前記基準穴の周囲に設定された第１の領域であって、前記粘性シール材が塗布されない第１の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔が、前記第１の領域の周囲に設定された第２の領域であって、前記粘性シール材が塗布されるべき第２の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔よりも大きくなる形状を有する、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータは、それぞれ、金属製の薄板を加工することによって製造されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方は、前記シール材が設けられる側の面において、前記第１の領域が前記第２の領域よりも窪むとともに、前記シール材が設けられる側とは反対側の面において、前記第１の領域が前記第２の領域よりも突出する形状を有する、
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、詳しくは、燃料電池のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、例えば、膜電極接合体を含む発電体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持することによって構成される。
【０００３】
このような燃料電池では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間であって、発電体の周囲に、燃料電池内を流れる流体をシールするシール材が備えられる。そして、このシール材としては、例えば、熱硬化性樹脂を含む接着剤等の、粘性を有する粘性シール材を硬化してなるシール材が用いられる場合がある。
【０００４】
ところで、上述した構成を有する燃料電池を製造する際には、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの相対的な位置決めが行われる。そして、これらの位置決め方法としては、各セパレータに複数の基準穴を設けておき、この複数の基準穴にそれぞれ位置決め用冶具を挿入する方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４２４８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３６７６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した位置決め方法を採用して上述した構成を有する燃料電池を製造する場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に粘性シール材を塗布して圧着するときに、粘性シール材が、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で広がる。そして、粘性シール材の塗布量が過剰である場合には、広がった粘性シール材が、位置決め用冶具にまで達して、位置決め用冶具に付着する場合がある。この場合、粘性シール材が位置決め用冶具に付着した状態で硬化すると、燃料電池が位置決め用冶具に接着されてしまうという不具合が生じる。そこで、このような不具合が生じないようにするためには、燃料電池を製造する際の粘性シール材の塗布量についての管理幅を比較的狭く設定する必要があった。そして、このことは、燃料電池の製造管理の煩雑化を招く。このため、粘性シール材の塗布量についての管理幅を比較的広く設定しても、上記不具合が生じないようにすることができる技術が求められていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、位置決め用冶具が挿入される基準穴が形成されたセパレータ間に粘性シール材を塗布して圧着・硬化することによってシール構造が形成される燃料電池において、燃料電池の製造時の粘性シール材の塗布量の管理幅を比較的広くすることが可能な技術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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［形態１］
燃料電池であって、
アノードおよびカソードを有する発電体と、
前記発電体のアノード側に配置されたアノード側セパレータと、
前記発電体のカソード側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間であって、前記発電体の周囲に設けられ、前記燃料電池内を流れる流体をシールするシール材と、
を備え、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータには、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの相対的な位置決めを行うときに、位置決め用冶具がそれぞれ挿入される複数の基準穴がそれぞれ形成されており、
前記シール材は、粘性を有する粘性シール材を硬化してなり、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータは、前記シール材が設けられる領域において、前記基準穴の周囲に設定された第１の領域であって、前記粘性シール材が塗布されない第１の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔が、前記第１の領域の周囲に設定された第２の領域であって、前記粘性シール材が塗布されるべき第２の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔よりも大きくなる形状を有する、
燃料電池。
このような形態であれば、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に粘性シール材を塗布して圧着するときに、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で、粘性シール材が広がっても、広がった粘性シール材が位置決め用冶具にまで達して、位置決め用冶具に付着することを抑制することができる。この結果、燃料電池の製造時の粘性シール材の塗布量の管理幅を比較的広くすることができる。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池であって、
アノードおよびカソードを有する発電体と、
前記発電体のアノード側に配置されたアノード側セパレータと、
前記発電体のカソード側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間であって、前記発電体の周囲に設けられ、前記燃料電池内を流れる流体をシールするシール材と、
を備え、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータには、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの相対的な位置決めを行うときに、位置決め用冶具がそれぞれ挿入される複数の基準穴がそれぞれ形成されており、
前記シール材は、粘性を有する粘性シール材を硬化してなり、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータは、前記シール材が設けられる領域において、前記基準穴の周囲に設定された第１の領域であって、前記粘性シール材が塗布されない第１の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔が、前記粘性シール材が塗布されるべき第２の領域における前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間隔よりも大きくなる形状を有する、
燃料電池。
【００１０】
適用例１の燃料電池では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に粘性シール材を塗布して圧着するときに、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で、粘性シール材が広がっても、過剰な粘性シール材を、上記第１の領域におけるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間の空隙に留めることができる可能性が高い。また、適用例１の燃料電池では、上記第１の領域におけるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間隔が、上記第２の領域におけるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間隔と等しい場合よりも、粘性シール材が上記第１の領域に広がる距離が小さくなる。したがって、広がった粘性シール材が位置決め用冶具にまで達して、位置決め用冶具に付着することを抑制することができる。この結果、燃料電池の製造時の粘性シール材の塗布量の管理幅を比較的広くすることができる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータは、それぞれ、金属製の薄板を加工することによって製造されている、
燃料電池。
【００１２】
アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータを、金属製の薄板を加工することによって製造する場合、バリや反りが生じて寸法精度の確保が比較的難しい。そして、この場合、粘性シール部材の塗布量の管理がさらに難しくなる。
【００１３】
適用例２の燃料電池では、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータが、上述した形状を有しているので、バリや反りによって、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータの寸法にある程度のバラつきが生じても、このバラつきを吸収することができ、特に効果的である。
【００１４】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記アノード側セパレータ、および、前記カソード側セパレータのうちの少なくとも一方は、前記シール材が設けられる側の面において、前記第１の領域が前記第２の領域よりも窪むとともに、前記シール材が設けられる側とは反対側の面において、前記第１の領域が前記第２の領域よりも突出する形状を有する、
燃料電池。
【００１５】
適用例３の燃料電池では、上述した形状を有するアノード側セパレータ、および、カソード側セパレータを、比較的簡易なプレス加工や打ち抜き加工によって製造することができる。
【００１６】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、上述の燃料電池に用いられるセパレータの発明や、上述の燃料電池を複数積層させた燃料電池スタックの発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】アノード側セパレータ３０ａおよびカソード側セパレータ３０ｃを示す説明図である。
【図３】燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。
【図４】接着剤を熱圧着してシール材４０を形成する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１に、燃料電池１００の要部断面図を示した。図示するように、燃料電池１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、膜電極ガス拡散層接合体１０のアノード側に配置されたアノード側セパレータ３０ａと、膜電極ガス拡散層接合体１０のカソード側に配置されたカソード側セパレータ３０ｃと、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間であって、膜電極ガス拡散層接合体１０の周囲に設けられ、燃料電池１００内を流れる流体をシールするシール材４０と、を備える。なお、シール材４０は、後述するように、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間に熱硬化性樹脂を含む接着剤を塗布して圧着・硬化（熱圧着）することによって形成されている。この接着剤は、課題を解決するための手段における粘性シール材に相当する。
【００１９】
また、膜電極ガス拡散層接合体１０と、カソード側セパレータ３０ｃとの間には、酸化剤ガスの流路が形成されている（図示省略）。この酸化剤ガスの流路は、例えば、膜電極ガス拡散層接合体１０と、カソード側セパレータ３０ｃとの間に、エキスパンドメタルや、発泡金属焼結体等の金属多孔体を介装したり、カソード側セパレータ３０ｃの膜電極ガス拡散層接合体１０と当接する側の表面に、酸化剤ガスが流れる溝を設けたりすることによって構成される。
【００２０】
膜電極ガス拡散層接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃを接合し、これらの表面に、さらに、アノード側ガス拡散層１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１６ｃを接合することによって構成されている。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜１２として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、カソード側触媒層１４ｃ、および、アノード側触媒層１４ａは、それぞれ、アイオノマ（例えば、ナフィオン（登録商標））と、触媒（例えば、白金）を担持した担体（例えば、カーボンブラック）とを含んでいる。また、本実施例では、カソード側ガス拡散層１６ｃ、および、アノード側ガス拡散層１６ａとして、カーボンクロスを用いるものとした。カソード側ガス拡散層１６ｃ、および、アノード側ガス拡散層１６ａとして、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。膜電極ガス拡散層接合体１０は、課題を解決するための手段における発電体に相当する。
【００２１】
また、本実施例では、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃは、それぞれ、金属製の薄板を加工することによって製造されているものとした。アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃとして、カーボンなど、導電性を有する種々の材料を適用するようにしてもよい。以下、図１、および、図２を参照して、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃについて説明する。
【００２２】
Ｂ．セパレータ：
図２は、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃを示す説明図である。図２（ａ）に、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの平面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるアノード側セパレータ３０ａのＡ−Ａ断面を示した。なお、図２（ｂ）に示した断面図は、図１に描かれているアノード側セパレータ３０ａの断面図と対応している。また、図２（ｃ）に、図２（ａ）におけるカソード側セパレータ３０ｃのＡ−Ａ断面図を示した。なお、図２（ｃ）に示した断面図は、図１に描かれているカソード側セパレータ３０ｃの断面図と対応している。
【００２３】
図２（ａ）に示したように、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの周縁部には、それぞれ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体が流れるマニホールドをそれぞれ構成する複数の貫通孔（符号省略）が形成されている。また、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃには、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタックを構成するときの位置合わせや、締結部材を配置するために用いられる切り欠き部（符号省略）が形成されている。
【００２４】
また、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの一角には、それぞれ、正基準穴３２ａ，３２ｃが形成されている。また、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃにおける正基準穴３２ａ，３２ｃの対角位置には、それぞれ、副基準穴３４ａ，３４ｃが形成されている。正基準穴３２ａ，３３ｃ、および、副基準穴３４ａ，３４ｃは、それぞれ、後述する位置決め用ピンが挿入され、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの相対的な位置決めに用いられる。
【００２５】
また、本実施例では、カソード側セパレータ３０ｃは、平らであるものとした。一方、アノード側セパレータ３０ａは、凹凸形状を有するものとした。具体的には、アノード側セパレータ３０ａは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側触媒層１４ａと当接する部位に、複数の波板部３０ａｗを備えている（図１参照）。波板部３０ａｗは、膜電極ガス拡散層接合体１０の表面に沿った方向に流れる燃料ガスの流路や冷却媒体の流路を構成する。
【００２６】
また、図１に示したように、アノード側セパレータ３０ａは、シール材４０が設けられる側の面において、正基準穴３２ａの周囲に設定された領域Ａ１が領域Ａ２よりも窪むとともに、シール材４０が設けられる側とは反対側の面において、領域Ａ１が領域Ａ２よりも突出する形状を有する窪部３０ａｐを備えている。したがって、シール材４０が設けられる領域Ａにおいて、正基準穴３２ａ，３２ｃの周囲に設定された領域Ａ１におけるアノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間隔ｄ１は、領域Ａ１以外の領域Ａ２におけるアノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間隔ｄ２よりも大きい。なお、正基準穴３２ａ，３２ｃの周囲に設定された領域Ａ１は、接着剤が塗布されない領域であり、領域Ａ２は、接着剤が塗布されるべき領域である。領域Ａ２に塗布された接着剤は、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃに圧着されるときに、領域Ａ１の一部に広がる。
【００２７】
Ｃ．製造工程：
図３は、燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。また、図４は、接着剤を熱圧着してシール材４０を形成する様子を示す説明図である。
【００２８】
まず、ジグプレート２００（図４参照）にカソード側セパレータ３０ｃをセットする（ステップＳ１００）。このとき、ジグプレート２００に設けられた位置決め用ピン２１０等に、カソード側セパレータ３０ｃに形成された正基準穴３２ｃ、および、副基準穴３４ｃを挿入する（図４参照）。
【００２９】
次に、カソード側セパレータ３０ｃの表面の所定領域（図１に示した領域Ａ２）に接着剤を塗布する（ステップＳ１１０）。このときの接着剤の塗布量は、後から圧着したときに広がった接着剤が位置決め用ピン２１０に達しないように管理される。
【００３０】
次に、接着剤が塗布されたカソード側セパレータ３０ｃの表面に、膜電極ガス拡散層接合体１０を積層する（ステップＳ１２０）。次に、これらの上に、アノード側セパレータ３０ａをセット（積層）する（ステップＳ１３０）。このとき、位置決め用ピン２１０等に、アノード側セパレータ３０ａに形成された正基準穴３２ａ、および、副基準穴３４ａを挿入する（図４参照）。
【００３１】
そして、図４に示したように、カソード側セパレータ３０ｃと、膜電極ガス拡散層接合体１０と、アノード側セパレータ３０ａと、が積層されたジグプレート２００を、熱圧着装置の下側加熱板３００Ｌ上にセットし（ステップＳ１４０）、これらの上に、熱圧着装置の上側加熱板３００Ｕを積層し、接着剤を熱圧着する（ステップＳ１５０）。以上の工程を経て、燃料電池１００は完成する。
【００３２】
以上説明した本実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間に接着剤を塗布して圧着するときに、アノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間で、接着剤が広がっても、過剰な接着剤を、図１に示した領域Ａ１におけるアノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間の空隙に留めることができる可能性が高い。また、本実施例の燃料電池１００では、領域Ａ１におけるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間隔が、領域Ａ２におけるアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間隔と等しい場合よりも、接着剤が領域Ａ１に広がる距離が小さくなる。したがって、広がった接着剤が位置決め用ピン２１０にまで達して、位置決め用ピン２１０に付着することを抑制することができる。この結果、燃料電池１００の製造時の接着剤の塗布量の管理幅を比較的広くすることができる。
【００３３】
また、本実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃが、先に説明した形状を有しているので、金属製の薄板を加工するときに生じるバリや反りによって、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの寸法にある程度のバラつきが生じても、このバラつきを吸収することができる。
【００３４】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３５】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、上記実施例では、カソード側セパレータ３０ｃが平らであり、アノード側セパレータ３０ａが凹凸形状を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃが、シール材４０が設けられる領域Ａにおいて、領域Ａ１におけるアノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間隔１が、領域Ａ２におけるアノード側セパレータ３０ａとカソード側セパレータ３０ｃとの間隔ｄ２よりも大きくなる形状を有していればよい。
【００３６】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃは、金属製の薄板を加工することによって製造されているものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、位置決め用冶具が挿入される基準穴が形成されたセパレータ間に接着剤（粘性シール材）を塗布して圧着・硬化することによってシール構造が形成される燃料電池に適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１００…燃料電池
１０…膜電極ガス拡散層接合体
１２…電解質膜
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
１６ａ…アノード側ガス拡散層
１６ｃ…カソード側ガス拡散層
３０ａ…アノード側セパレータ
３２ａ…正基準穴
３４ａ…副基準穴
３０ａｐ…窪部
３０ａｗ…波板部
３０ｃ…カソード側セパレータ
３２ｃ…正基準穴
３４ｃ…副基準穴
４０…シール材
２００…ジグプレート
２１０…位置決め用ピン
３００Ｌ…下側加熱板
３００Ｕ…上側加熱板
【図１】
0005637054.tif 000002
【図２】
0005637054.tif 000003
【図３】
0005637054.tif 000004
【図４】
0005637054.tif 000005