(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極を含む複数の電解質膜−電極接合体を導電性セパレータを介して積層した燃料電池積層体、前記一方の電極に燃料ガスを供給する手段、並びに前記他方の電極に酸化剤ガスを供給する手段を具備し、前記導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した第１の貫通穴、並びに他方の面に形成されて前記第１の貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、
前記電解質膜−電極接合体は、前記電極の周縁部を囲むように配されたガスケットを含み、前記ガスケットは、前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記第１の貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置し、
前記導電性セパレータは、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、他方の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した第２の貫通穴、並びに一方の面に形成されて前記第２の貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、
前記ガスケットは、さらに、前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記第２の貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有する２つのセパレータ部材の組み合わせを含み、前記一方のセパレータ部材は、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに他方の面に形成されて前記貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記２つのセパレータ部材の少なくとも一方は、両者の間に、入り口側および出口側がそれぞれ前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴に連絡する冷却水流路を形成する溝を有し、
前記ガスケットは、前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記２つの導電性セパレータ部材は、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有し、前記他方の導電性セパレータ部材は、さらに、前記冷却水流路を形成する面と反対側の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに前記冷却水流路を形成する面側に形成されて前記貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、
前記ガスケットは、さらに、前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置する請求項２記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有する２つのセパレータ部材の組み合わせを含み、前記一方のセパレータ部材は、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴を有し、他方のセパレータ部材は、前記貫通穴に連通する貫通穴、および前記一方のセパレータ部材と反対側の面に形成されて前記貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記２つのセパレータ部材の少なくとも一方は、両者の間に、入り口側および出口側がそれぞれ前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴に連絡する冷却水流路を形成する溝を有し、
前記ガスケットは、前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記２つの導電性セパレータ部材は、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有し、前記他方の導電性セパレータ部材は、さらに、前記冷却水流路を形成する面と反対側の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、および前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した酸化剤ガス流路用貫通穴を有し、前記一方のセパレータ部材は、さらに、前記酸化剤ガス流路用貫通穴と連通する前記一方の面側に形成されて前記酸化剤ガス流路用貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、
前記ガスケットは、さらに、前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、
前記貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置する請求項４記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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利用される固体高分子電解質を用いた燃料電池、特にその導電性セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池の基本的な構成要素は、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の両面に接合された一対の電極である。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒応層とその外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。
この他、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をシールするためのガスケットが配置される。このガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、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が形成される。ガス流路はセパレータとは別に設けることもできるが、セパレータ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。
【０００３】
この溝にガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータの溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホルドと呼び、上記のような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ルド型と呼ぶ。このマニホルドには、構造をより簡単にした内部マニホルド型と呼ぶ形式のものがある。内部マニホルド型とは、ガス流路を形成したセパレータに、貫通した孔、すなわちマニホルド穴を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスを供給するものである。
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、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入される。セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に重ね、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、端板でこれを挟み、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。
【０００４】
このような高分子電解質型燃料電池では、セパレータは導電性が高く、かつ気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、セパレータは通常等方性黒鉛や膨張黒鉛などのカーボン材料で構成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型により作製される。
組み上がった燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を流し、その燃料電池全体での性能及び各単電池の性能を測定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の導電性セパレータとＭＥＡとを積層した燃料電池において、ＭＥＡの周囲に配置されたガスケットが燃料電池の締結圧力によって、セパレータのガス流路に落ち込み、そのＭＥＡを挟んで反対側に積層されたセパレータとの間に微少隙間が発生する。この隙間はガス流路端部、つまりマニホルド穴と接する部分に発生しやすく、その隙間からガスが侵入し、二種類のガスが混合するという現象が起こり、性能が低下するという問題があった。また、ガスの混合される状況によっては、発火、発熱のおそれもあり、危険な状況になるという問題もあった。本発明は、セパレータを改良して二種類のガスの混合が生じない高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、そのようなセパレータを提供することをも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、導電性セパレータ上に設けられたガス流路の端部をマニホルド穴に連絡する部分の位置を変更することで、ガスを流通させるマニホルド穴近傍における導電性セパレータとＭＥＡのガスケット部との接合部において、ガスケットのセパレータのガス流路への落ち込みが発生しても、マニホルド穴に流れるガスが隙間の発生する面のガスと同一になり、２種類のガスの混合を防止する構造を持つことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極を含む複数の電解質膜−電極接合体を導電性セパレータを介して積層した燃料電池積層体、前記一方の電極に燃料ガスを供給する手段、並びに前記他方の電極に酸化剤ガスを供給する手段を具備し、前記導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した第１の貫通穴、並びに他方の面に形成されて前記第１の貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記電解質膜−電極接合体は、前記電極の周縁部を囲むように配されたガスケットを含み、前記ガスケットが前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有し、前記第１の貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置し、前記導電性セパレータは、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、他方の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した第２の貫通穴、並びに一方の面に形成されて前記第２の貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記ガスケットは、さらに、前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有し、前記第２の貫通穴は、前記導電性セパレータが前記ガスケットと接する部分に位置する高分子電解質型燃料電池を提供する。
【０００８】
前記電解質膜−電極接合体は、前記電極の周縁部を囲むように配されたガスケットを含み、前記ガスケットが前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の間に挿入される導電性セパレータが、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、一方の面に形成されてＭＥＡの一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに他方の面に形成されて前記貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有する。
【００１０】
ＭＥＡとＭＥＡとの間に挿入される導電性セパレータの好ましい態様において、は、セパレータはさらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、他方の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに一方の面に形成されて前記貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有する。
【００１１】
導電性セパレータの別のタイプの好ましい態様において、導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有する２つのセパレータ部材の組み合わせを含み、前記一方のセパレータ部材は、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに他方の面に形成されて前記貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記２つのセパレータ部材の少なくとも一方は、両者の間に、入り口側および出口側がそれぞれ前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴に連絡する冷却水流路を形成する溝を有する。
前記２つの導電性セパレータ部材は、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有し、前記他方の導電性セパレータ部材は、さらに、前記冷却水流路を形成する面と反対側の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴、並びに前記冷却水流路を形成する面側に形成されて前記貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有することが好ましい。
【００１２】
導電性セパレータのさらに別のタイプの好ましい態様において、導電性セパレータは、少なくとも燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有する２つのセパレータ部材の組み合わせを含み、前記一方のセパレータ部材は、一方の面に形成されて前記一方の電極に燃料ガスを供給するガス流路用溝、前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した貫通穴を有し、他方のセパレータ部材は、前記貫通穴に連通する貫通穴、および前記一方のセパレータ部材と反対側の面に形成されて前記貫通穴と前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有し、前記２つのセパレータ部材の少なくとも一方は、両者の間に、入り口側および出口側がそれぞれ前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴に連絡する冷却水流路を形成する溝を有する。
【００１３】
前記２つの導電性セパレータ部材は、さらに、酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴を有し、前記他方の導電性セパレータ部材は、さらに、前記冷却水流路を形成する面と反対側の面に形成されて前記他方の電極に酸化剤ガスを供給するガス流路用溝、および前記ガス流路用溝の入り口側および出口側の端部においてセパレータを貫通した酸化剤ガス流路用貫通穴を有し、前記一方のセパレータ部材は、さらに、前記酸化剤ガス流路用貫通穴と連通する前記一方の面側に形成されて前記酸化剤ガス流路用貫通穴と前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴とをそれぞれ連絡するガス流路用溝を有することが好ましい。
ここに用いられるＭＥＡは、前記電極の周縁部を囲むように配されたガスケットを含み、前記ガスケットが前記燃料ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、前記酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴、並びに前記冷却水の入り口側マニホルド穴および出口側マニホルド穴にそれぞれ連通するマニホルド穴を有することが好ましい。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の正面図である。ＭＥＡ６は、高分子電解質膜、この電解質膜を挟むカソードおよびアノード、並びに電極の周縁部において電解質膜の露出部分を覆うように接合されたガスケットからなる。図では、電極部分を４で表し、ガスケット部分を５で表している。図１において、電極部分４の表面はアノードであり、裏面にカソードがある。
【００１５】
図２および図３は、第１の実施の形態における導電性セパレータを示す。
このセパレータ１０は、ＭＥＡ６のガスケット部５と対応する周縁部に、酸化剤ガスの入口側マニホルド穴１１ａおよび出口側マニホルド穴１１ｂ、燃料ガスの入口側マニホルド穴１２ａおよび出口側マニホルド穴１２ｂ、並びに冷却水の入口側マニホルド穴１３ａおよび出口側マニホルド穴１３ｂを有する。
セパレータ１０は、さらにその一方の面には、カソードに酸化剤ガスを供給するための流路を形成する複数の平行する直線状の溝１４を有し、他方の面には、アノードに燃料ガスを供給するための流路を形成する複数の並行する溝２４を有する。溝２４は、直線状の部分とターン部とを組み合わせた蛇行形状である。図２および３において、一点鎖線で囲まれた部分がそれぞれＭＥＡの電極部分４に接し、それらの外側の部分がガスケット部分５に接する。
【００１６】
酸化剤ガスの流路用の溝１４の末端部は、セパレータがガスケット部５と接する部分に位置しており、この末端部に貫通穴１５ａおよび１５ｂを有している。そして、セパレータの裏面側には、貫通穴１５ａおよび１５ｂとマニホルド穴１１ａおよび１１ｂとをそれぞれ連絡するためのガス流路を形成する溝１６ａおよび１６ｂが設けられている。
同様に、燃料ガスの流路用溝２４の末端部は、セパレータがガスケット部５と接する部分に位置し、この末端部に貫通穴２５ａおよび２５ｂを有している。そして、セパレータの表面側には、貫通穴２５ａおよび２５ｂとマニホルド穴１２ａおよび１２ｂとをそれぞれ連絡するためのガス流路を形成する溝２６ａおよび２６ｂが設けられている。
【００１７】
図８は、このようなセパレータを介してＭＥＡを積層した電池の要部の断面を表している。
入口側マニホルド穴１１ａに供給される酸化剤ガスは、セパレータ１０のアノード側に設けられた溝１６ａ、およびセパレータを貫通する貫通穴１５ａを経由してカソード側に設けられた溝１４に達し、ここからカソードに供給される。そして、余剰ガスおよび電極反応により生成したガスは、溝１４から、セパレータを貫通する貫通穴１５ｂ、およびアノード側に設けられた溝１６ｂを経由して出口側マニホルド穴１１ｂへ排出される。
入口側マニホルド穴１２ａに供給される燃料ガスは、セパレータ１０のカソード側に設けられた溝２６ａ、およびセパレータを貫通する貫通穴２５ａを経由してアノード側に設けられた溝２４に達し、ここからアノードに供給される。そして、余剰ガスおよび電極反応により生成したガスは、溝２４から、セパレータを貫通する貫通穴２５ｂ、およびカソード側に設けられた溝２６ｂを経由して出口側マニホルド穴１２ｂへ排出される。
【００１８】
図４および図５は、背面に冷却水の流路用溝を形成したカソード側導電性セパレータを示し、図６および図７は背面に冷却水の流路用溝を形成したアノード側導電性セパレータを示す。
カソード側導電性セパレータ４０は、酸化剤ガスの入口側マニホルド穴４１ａおよび出口側マニホルド穴４１ｂ、燃料ガスの入口側マニホルド穴４２ａおよび出口側マニホルド穴４２ｂ、並びに冷却水の入口側マニホルド穴４３ａおよび出口側マニホルド穴４３ｂを有する。
セパレータ４０は、カソード側に酸化剤ガスの流路用溝４４を有し、溝４４の末端部に貫通穴４５ａおよび４５ｂを有する。セパレータ４０の背面には、貫通穴４５ａおよび４５ｂとマニホルド穴４１ａおよび４１ｂとをそれぞれ連絡するための溝４６ａおよび４６ｂが設けられている。
セパレータ４０の以上の構成は、セパレータ１０と同じである。異なるところは、燃料ガスの流路用溝の代わりに、冷却水の流路を形成するための溝４７が設けられ、この溝４７の末端部が直接マニホルド穴４３ａおよび４３ｂに連絡していることである。
【００１９】
アノード側導電性セパレータ５０は、アノード側に燃料ガスの流路用溝５４を有し、溝５４の末端部に貫通穴５５ａおよび５５ｂを有する。セパレータ５０の背面には、貫通穴５５ａおよび５５ｂとマニホルド穴５１ａおよび５１ｂとをそれぞれ連絡するための溝５６ａおよび５６ｂが設けられている。
セパレータ５０は、さらに背面に、冷却水の流路を形成するための溝５７が設けられ、この溝５７の末端部が直接マニホルド穴５３ａおよび５３ｂに連絡している。
【００２０】
カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０とは、それらの背面側、すなわち冷却水流路用溝４７および５７を有する面が接するように組み合わせてＭＥＡ間に挿入される。図８は、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０の組み合わせが、セパレータ１０と交互にＭＥＡ間に挿入された例を示している。
酸化剤ガスの入口側マニホルド穴４１ａ、５１ａに供給される酸素ガスは、カソード側セパレータ４０の背面に設けられた溝４６ａ、および貫通穴４５ａを経由して溝４４に至り、カソードへ供給される。余剰ガスおよび生成ガスは溝４４から貫通穴４５ｂおよび溝４６ｂを経由してマニホルド穴４１ｂへ排出される。同様に燃料ガスは、入口側マニホルド穴５２ａから、アノード側セパレータ５０の背面に設けられた溝５６ａ、および貫通穴５５ａを経由して溝５４に至り、アノードへ供給される。余剰ガスおよび生成ガスは溝５４から貫通穴５５ｂおよび溝５６ｂを経由してマニホルド穴５２ｂへ排出される。
【００２１】
冷却水は、入口側マニホルド穴４３ａおよび５３ａから溝４７および５７により形成される蛇行形状の流路を通り、マニホルド穴４３ｂおよび５３ｂから排出される。この冷却水によって、セルはカソード側セパレータ４０およびアノード側セパレータ５０の背面から冷却される。
電池を冷却するには、通常水を用いるのが簡便であるが、エチレングリコールなどの不凍液を用いることもできる。
【００２２】
図１４は、従来のセパレータ１００を用いた積層電池の要部の断面を表している。セパレータ１００は、ＭＥＡのカソード側の表面に、酸化剤ガスのマニホルド穴１１１と連絡する酸化剤ガスの流路用溝１０４を有し、アノード側の表面に燃料ガスのマニホルド穴と連絡する燃料ガスの流路用溝１１４を有している。燃料電池の締結圧力によりセルの積層方向に締め付けられた際、マニホルド穴１１１の近傍においては、ＭＥＡのガスケット５が溝１０４内へ落ち込むことがある。そうすると、ＭＥＡの溝１０４に対応する部分が、図１４の点線で示すように、溝１０４側に変形する。この変形した電極部５’およびガスケット部４’のアノード側と隣接するセパレータ１００との間には７で示すような隙間が生じる。この隙間７が燃料ガスの流路用溝１１４と連通すると、燃料ガスがマニホルド穴１１１の酸化剤ガスと混合されることとなる。
【００２３】
これに対して、本発明においては、図８に示すように、セパレータ１０の酸化剤ガスの流路用溝１４は、セパレータ１０を貫通する穴１５ａからアノード側に設けられた溝１６ａをとおしてマニホルド穴１１ａと連絡している。そして、ＭＥＡが溝１４内へ落ち込むことがあっても、貫通穴１５ａよりマニホルド穴１１ａ側においてはＭＥＡのガスケット５は、セパレータ１０の溝のない部分で受け止められる。従って、ガスケットがセパレータのカソード側において酸化剤ガスの溝に落ち込むことによって、そのガスケットのアノード側とアノードとの間に、燃料ガスの流路用溝と酸化剤ガスのマニホルド穴とを連通させるような隙間は生じない。また、酸化剤ガスのマニホルド穴に連絡する溝１６ａに、隣接するセルのガスケットが落ち込んで、そのガスケットの背面に隙間が生じても、その隙間は酸化剤ガスに連絡するから、燃料ガスとの混合は起こらない。
上ではガスケットが酸化剤ガスの流路用溝に落ち込む場合について説明したが、ガスケットが燃料ガスの流路用溝に落ち込む場合においても、上と同様に燃料ガスと酸化剤ガスの混合を生じることはない。
【００２４】
次に、冷却水の流路を形成するカソード側セパレータおよびアノード側セパレータの別の実施の形態を説明する。
図９および図１０は背面に冷却水の流路用溝を形成したカソード側導電性セパレータを示し、図１１および図１２は背面に冷却水の流路用溝を形成したアノード側導電性セパレータを示す。
カソード側導電性セパレータ６０は、酸化剤ガスの入口側マニホルド穴６１ａおよび出口側マニホルド穴６１ｂ、燃料ガスの入口側マニホルド穴６２ａおよび出口側マニホルド穴６２ｂ、並びに冷却水の入口側マニホルド穴６３ａおよび出口側マニホルド穴６３ｂを有する。セパレータ６０は、カソード側に酸化剤ガスの流路用溝６４有し、溝６４の末端部に貫通穴６５ａおよび６５ｂを有する。セパレータ６０は、さらに、後述するアノード側セパレータ７０の貫通穴７５ａおよび７５ｂとそれぞれ連通する貫通穴９５ａおよび９５ｂを有し、カソード側には貫通穴９５ａおよび９５ｂと燃料ガスの入口側マニホルド穴６２ａおよび出口側マニホルド穴６２ｂとを連絡するための溝９６ａおよび９６ｂを有する。
セパレータ６０は、背面に冷却水の流路を形成するための蛇行形状の溝６７が、その入口側末端部および出口側端部がそれぞれマニホルド穴６３ａおよび６３ｂと連絡するように形成されている。
【００２５】
アノード側導電性セパレータ７０は、酸化剤ガスの入口側マニホルド穴７１ａおよび出口側マニホルド穴７１ｂ、燃料ガスの入口側マニホルド穴７２ａおよび出口側マニホルド穴７２ｂ、並びに冷却水の入口側マニホルド穴７３ａおよび出口側マニホルド穴７３ｂを有する。セパレータ７０は、アノード側に燃料ガスの流路用溝７４有し、溝７４の末端部に貫通穴７５ａおよび７５ｂを有する。セパレータ７０は、さらに、前記カソード側セパレータ６０の貫通穴６５ａおよび６５ｂとそれぞれ連通する貫通穴８５ａおよび８５ｂを有し、アノード側には貫通穴８５ａおよび８５ｂと酸化剤ガスの入口側マニホルド穴７１ａおよび出口側マニホルド穴７１ｂとを連絡するための溝８６ａおよび８６ｂを有する。
セパレータ７０は、背面に冷却水の流路を形成するための蛇行形状の溝７７が、その入口側末端部および出口側端部がそれぞれマニホルド穴７３ａおよび７３ｂと連絡するように形成されている。
【００２６】
カソード側セパレータ６０とアノード側セパレータ７０とは、それらの背面側、すなわち冷却水流路用溝６７および７７を有する面が接するように組み合わせてＭＥＡ間に挿入される。図１３は、カソード側セパレータ６０とアノード側セパレータ７０の組み合わせが、セパレータ１０と交互にＭＥＡ間に挿入された例を示している。
酸化剤ガスの入口側マニホルド穴６１ａ、７１ａに供給される酸素ガスは、アノード側セパレータ７０のアノード側の面に設けられた溝８６ａ、貫通穴８５ａおよび貫通穴６５ａを経由して溝６４に至り、カソードへ供給される。余剰ガスおよび生成ガスは溝６４から貫通穴６５ｂ、貫通穴８５ｂ、および溝８６ｂを経由してマニホルド穴７１ｂへ排出される。
同様に燃料ガスは、カソード側セパレータ６０の入口側マニホルド穴６２ａから、溝９６ａ、貫通穴９５ａ、および貫通穴７５ａからアノード側セパレータ７０のアノード側に設けられた溝７４に至り、アノードへ供給される。余剰ガスおよび生成ガスは溝７４から貫通穴７５ｂ、貫通穴９５ｂおよび溝９６ｂを経由してマニホルド穴６２ｂへ排出される。
【００２７】
冷却水は、入口側マニホルド穴６３ａおよび７３ａから溝６７および７７により形成される蛇行形状の流路を通り、マニホルド穴６３ｂおよび７３ｂから排出される。この冷却水によって、セルはカソード側セパレータ６０およびアノード側セパレータ７０の背面から冷却される。
これらのセパレータ６０および７０の組み合わせにより冷却水の流路を形成した場合にも、先の実施の形態と同様に、燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリークが生じないことは明らかであろう。
以上の実施の形態において、冷却水の流路を形成するために、２つのセパレータ部材の相対向する面にそれぞれ溝を設けたが、一方のセパレータ部材のみに溝を設けて冷却水の流路を形成してもよい。
以上のように本発明によれば、導電性セパレータとＭＥＡを積層する際に、マニホルド穴と接する導電性セパレータとＭＥＡのガスケット部との接合面端部における異種ガス間のクロスリークをなくすことができる。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例を説明する。
《実施例１》
平均粒径３０ｎｍの導電性カ−ボン粒子（オランダ  Ａｋｚｏｃｈｉｍｉｅ社製ケッチェンブラックＥＣ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比７５：２５の割合で担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた分散液に、次式で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合してペースト状にした。このペーストを原料としスクリ−ン印刷法を用いて、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成した。形成された電極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となるよう調整した。こうして拡散層としてのカーボン不織布に触媒層を形成することにより、同じ構成のカソードおよびアノードを作製した。
【００２９】
【化１】
0003596761.tif 000002
【００３０】
（式中、ｍ＝１、ｎ＝２、ｘ＝５〜１３．５、ｙ≒１０００である。）
これらの電極を、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側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）を組み立てた。ここで用いたプロトン伝導性高分子電解質膜は、前記の式（ただし、ｍ＝２、ｎ＝２、ｘ＝５〜１３．５、ｙ≒１０００である。）に示されるパーフルオロカーボンスルホン酸からなる２５μｍの厚みの薄膜である。図１はこのＭＥＡの構成を示す。ＭＥＡ６は、中央の電極部４、およびその外周部に配置されたガスケット部５からなる。
【００３１】
本実施例では、図２〜６に示すセパレータ１０、４０および５０を用いて図８のような高分子電解質型燃料電池を組み立てた。
これらのセパレータは、等方性黒鉛からなる厚さ２ｍｍ、高さ１３０ｍｍ×幅２６０ｍｍの板を加工することにより作製した。主な仕様を以下に記載する。酸化剤ガスの流路用溝１４および４４は、カソード側となる面の中央部２０ｃｍ×９ｃｍの領域に、２．９ｍｍピッチ、幅約２ｍｍで形成した。また、燃料ガスの流路用溝２４およ５４はアノード側の面に、同ピッチ、同幅の溝を蛇行形状に形成した。冷却水の流路用溝４７および５７は、ピッチ２．９ｍｍ、幅約２ｍｍとした。
【００３２】
セパレータ１０のカソード側のガス流路用溝１４とアノード側のガス流路用溝２４とは後者の溝の直線部の中心線が前者の溝の中心線と一致するようにした。これにより、電極に過剰なせん断力がかからないようにした。また、２セル毎にセパレータ４０と５０の組み合わせを挿入して冷却水を流す冷却部を設けた。この冷却部は、冷却水用の溝を持つ２種類のセパレータ４０と５０の冷却水の流路用溝を有する面が対面するようにシール剤（スリーボンド社製１２１１）で貼り合わせた。セパレータとＭＥＡの組合せにおけるガスシール性は、ＭＥＡに貼り付けられたガスケットにて確保し、セパレータ同士の組合せにおけるガスシール性はシール剤（スリーボンド社製１２１１）で貼り合わせることで確保した。
以上に示したＭＥＡをセパレータを介して５０セット積層した後、集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板と締結ロッドで、１０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で締結した。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、８５℃に保持し、アノードに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。その結果を表１に示した。表１は、電池の駆動電流を３６Ａ、９０Ａおよび１２６Ａにした時の電池電圧の変化を示している。電流を大きくとるほど電圧の低下は大きくなるが、十分実用性を有することが確認された。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
《実施例２》
本実施例では、冷却水の流路を形成するために、セパレータ６０と７０の組み合わせを用いる他は実施例１と同様の高分子電解質型燃料電池を組み立てた。この電池を７５℃に保持し、アノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソードに６５℃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、実施例１の電池とほぼ同様の性能を示した。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導電性セパレータとＭＥＡを積層する際に、マニホルド穴と接する導電性セパレータとＭＥＡのガスケット部との接合面端部における異種ガス間のクロスリークをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の燃料電池に用いたＭＥＡの正面図である。
【図２】本発明の一実施例の燃料電池に用いた導電性セパレータ正面図である。
【図３】同セパレータの背面図である。
【図４】同燃料電池に用いたカソード側導電性セパレータの正面図である。
【図５】同セパレータの背面図である。
【図６】同燃料電池に用いたアノード側導電性セパレータのカソード側から見た正面図である。
【図７】同セパレータの背面図である。
【図８】同燃料電池の要部の断面図である。
【図９】本発明の他の実施例の燃料電池に用いたカソード側導電性セパレータの正面図である。
【図１０】同セパレータの背面図である。
【図１１】同燃料電池に用いたアノード側導電性セパレータのカソード側から見た正面図である。
【図１２】同セパレータの背面図である。
【図１３】同燃料電池の要部の断面図である。
【図１４】従来の燃料電池の要部の断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１１ａ  酸化剤ガスの入り口側マニホルド穴
１ｂ、１１ｂ  酸化剤ガスの出口側マニホルド穴
２ａ、１２ａ  燃料ガスの入り口側マニホルド穴
２ｂ、１２ｂ  燃料ガスの出口側マニホルド穴
３ａ、１３ａ  冷却水の入り口側マニホルド穴
３ｂ、１３ｂ  冷却水の出口側マニホルド穴
４  電極部
５  ガスケット部
６  ＭＥＡ
１０  導電性セパレータ
１４  酸化剤ガスの流路用溝
１５ａ、１５ｂ  酸化剤ガスの流路用貫通穴
１６ａ、１６ｂ  酸化剤ガスの流路用溝
２４  燃料ガスの流路用溝
２５ａ、２５ｂ  燃料ガスの流路用貫通穴
２６ａ、２６ｂ  燃料ガスの流路用溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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