(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を一対のセパレータで挟持すると共に、膜電極接合体と各セパレータとの間に形成したガス流路を密閉するためのシール材を備えた燃料電池単セルであって、
膜電極接合体におけるシール材の配置部分に、凹凸を形成すると共に、セパレータにおけるシール材の配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材を溜めるシール材溜まりと、シール材の保持部を設け、凹凸と保持部とを対向させて配置したことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項２】
膜電極接合体が、その外周に樹脂製のフレームを一体的に備えており、前記フレームとセパレータとの間にシール材が介装してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池単セルを複数積層してなることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池単セルを製造するに際し、
膜電極接合体におけるシール材の配置部分に、凹凸を形成すると共に、セパレータにおけるシール材の配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材を溜めるシール材溜まりと、シール材の保持部を形成し、
セパレータのシールの配置部分にシール材を配置した後、
セパレータと膜電極接合体を接合して双方の間にシール材により密閉されたガス流路を形成すると共に、
シール材溜まりに、反応ガスの圧力を受けるようにシール材を溜めた状態にすることを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の改良に関し、複数積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素を含有するアノードガスと酸素を含有するカソードガスを反応ガスとして、電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池が周知である。このような燃料電池は、電解質の違いにより種々のタイプのものに分類され、その一つとして固体高分子膜を用いる燃料電池がある。【０００３】
特許文献１には、固体高分子膜の両側にアノード電極及びカソード電極を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータとを備えた燃料電池単セルを、複数積層して構成される燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００５−１１６４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような燃料電池スタックでは、膜電極接合体やセパレータ等の各部品を接着剤によって接着することで、各部材間におけるシール性を確保する。しかしながら、接着剤は、各部材の外縁や反応ガスのマニホールドの周囲に配置されるため、部材積層時において、接着剤が各部材の外側やマニホールドにはみ出し、これによりシール性能が低下するおそれがあるという問題点があった。【０００６】
本発明は、上記従来の状況の課題に着目して成されたもので、シール性能の向上を実現することができる燃料電池単セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池単セルは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持すると共に、膜電極接合体と各セパレータとの間に形成したガス流路を密閉するためのシール材を備えた構造を有している。そして、燃料電池単セルは、膜電極接合体におけるシール材の配置部分に、凹凸を形成すると共に、セパレータにおけるシール材の配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材を溜めるシール材溜まりと、シール材の保持部を設け、凹凸と保持部とを対向させて配置した構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。なお、上記構成において、シール材には、接着剤としても機能するものを用いることができる。また、反応ガスの受圧側とは、反応ガスの圧力が作用する側であり、具体的には、ガス流路や、反応ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド穴の内側である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池単セルは、上記構成を採用したことにより、シール材溜まりに満たされたシール材の端部に反応ガスの圧力が作用して、シール材がセパレータ及び膜電極接合体に密着することとなり、シール性能の向上を実現することができる。
また、燃料電池単セルは、膜電極接合体におけるシール材の配置部分に凹凸を形成したことから、膜電極接合体とシール材との接触面積が増大し、接着強度を向上させる機能と、積層方向の荷重伝達の機能とを両立させることができ、さらには、シール材との接触面積の増大と同時に、双方の界面の侵食長さを大きく確保して、ガス漏れが生じない構造にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池スタックの斜視図（Ａ）、及び斜視分解図（Ｂ）である。
【図２】燃料電池単セルを分解状態にして説明する平面図である。
【図３】セルモジュールのマニホールド穴近傍の断面図（Ａ）、及びシール材の配置部分を説明する拡大断面図（Ｂ）である。
【図４】本発明に係わる燃料電池単セルの一実施形態を説明する夫々要部の断面図（Ａ）（Ｂ）である。
【図５】本発明に係わる燃料電池単セルの他の実施形態を説明する夫々要部の断面図（Ａ）（Ｂ）である。
【図６】シール材の耐久性を説明する各々グラフであって、シール材とフレームとの接触面積と耐久時間との関係を示すグラフ（Ａ）、シール材に形成した凹凸の数と耐久時間との関係を示すグラフ（Ｂ）、及び耐久時間とシール材及びフレームの界面の侵食長さとの関係を示すグラフ（Ｃ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、とくに図１（Ｂ）に示すように、燃料電池単セルＣを所定枚数積層してセルモジュールＭを構成し、複数のセルモジュールＭを積層すると共に、セルモジュールＭ同士の間にシールプレートＰを介装している。なお、図１（Ｂ）には、２つのセルモジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。
【００１１】
また、燃料電池スタックＦＳは、セルモジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂを夫々配置し、燃料電池単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、図示しないボルトにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。
【００１２】
このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００１３】
燃料電池単セルＣは、図２に示すように、膜電極接合体１と、膜電極接合体１を挟持する一対のセパレータ２，２を備えると共に、膜電極接合体１と各セパレータ２，２との間にカソードガス及びアノードガスの夫々のガス流路（ＧＣ，ＧＡ）を形成する。
【００１４】
膜電極接合体１は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示は省略するが、固体高分子から成る電解質層をカソード電極層とアノード電極層とで挟持した構造を有している。また、図示例の膜電極接合体１は、その外周に樹脂製のフレーム１Ａを一体的に備えている。
【００１５】
フレーム１Ａは、例えば射出成形により膜電極接合体１と一体化してあり、この実施形態では、膜電極接合体１を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１Ａは、短辺両側に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極接合体１に至る領域がディフューザ部となる。このフレーム１Ａ及び両セパレータ２，２は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
【００１６】
さらに、フレーム１Ａは、ディフューザ部に、円形状の複数の突部１Ｂが縦横に配列してある。これらの突部１Ｂは、膜電極接合体１の経時変化などによって燃料電池単セルＣに厚さ方向の変位が生じた際に、セパレータ２，２に接触して反応用ガスの流通空間を維持するものである。
【００１７】
各セパレータ２は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。図示例のセパレータ２は、少なくとも膜電極接合体１に対応する中央部分が断面凹凸形状に形成してある。このセパレータ２は、断面凹凸形状を長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間にカソード及びアノードのガス流路（ＧＣ，ＧＡ）を形成する。また、各セパレータ２は、両端部に、フレーム１Ａと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。
【００１８】
上記のフレーム１Ａ及び膜電極接合体１と両セパレータ２，２は、図３（Ａ）に示すように、重ね合わせて燃料電池単セルＣを構成する。また、燃料電池単セルＣは、所定枚数（図３では４枚）を積層してセルモジュールＭを形成する。このとき、隣接する燃料電池単セルＣ同士の間には、冷却液（例えば水）の流路Ｆを形成し、隣接するセルモジュールＭ同士の間にも冷却液の流路を形成する。
【００１９】
図２の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上側から、アノードガス供給用（Ｈ１）、冷却液排出用（Ｈ２）及びカソードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上側から、カソードガス供給用（Ｈ４）、冷却液供給用（Ｈ５）及びアノードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の供給及び排出の位置関係は、一部又は全部が逆であっても良い。
【００２０】
さらに、燃料電池単セルＣは、図２に示すように、フレーム１Ａと各セパレータ２の縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、シール材Ｓ１，Ｓ２が設けてある。図２では、両シール材Ｓ１，Ｓ２の一部を重複した状態で示している。これらのシール材Ｓ１，Ｓ２は、接着剤としての機能をも有するもので、個々の層間において、カソードガス及びアノードガスの夫々のガス流路ＧＣ，ＧＡを気密的に分離する。また、各層間に応じた流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲の適当な箇所に開口を設ける。なお、燃料電池スタックＦＳにおいて、隣接する燃料電池単セルＣのセパレータ２同士は、外周部同士を気密的に接合することにより、冷却液の流路Ｆを密閉している。
【００２１】
シールプレートＰは、上記した燃料電池単セルＣとは別体にして形成してあり、図１（Ｂ）に示すように、プレート基板５０の両端部に、前記フレーム１Ａ及びセパレータ２と同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成してある。
【００２２】
プレート基板５０は、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した燃料電池単セルＣとほぼ同じ形状で同じ大に形成してある。このプレート基板５０を導電性の金属板で形成することにより、経時的に安定した通電を行うことができる。
【００２３】
また、シールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、シール部材５１が、また、そのプレート基板５０の最外周縁部に、外周シール部材５２が、さらに、そのシール部材５２の内側に、所要の間隔をおいて内周シール部材５３が、夫々全周にわたって無端状に形成してある。各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に設けた各シール部材５１は、これらを互いに独立させて形成している。これらのシール部材５１〜５３は、フレーム１Ａとセパレータ２との間に介装した先述のシール材Ｓ１，Ｓ２とは別である。
【００２４】
シールプレートＰは、図３（Ａ）に示すように、内周シール５３部材により、セルモジュールＭ間の冷却液用流路を流通する冷却液の漏出を防止し、また、外周シール部材５２により、外部からの雨水の浸入を防止するとともに、電気的な絶縁を図っている。なお、図３（Ａ）において符号９で示すものは接着剤である。
【００２５】
上記の燃料電池スタックＦＳは、燃料電池単セルＣを所定枚数積層してセルモジュールＭを構成し、セルモジュールＭに対してシールプレートＰを容易に取り外し可能にしている。これにより、いずれかの燃料電池単セルＣに不具合が生じた場合に、その燃料電池単セルＣを含むセルモジュールＭのみの交換することが可能になり、その他の燃料電池単セルＣ並びにセルモジュールＭを継続的に使用することができる。
【００２６】
上記の燃料電池スタックＦＳを構成する燃料電池単セルＣは、先述したように、膜電極接合体１を一対のセパレータ２，２で挟持すると共に、膜電極接合体１と各セパレータ２との間に形成したガス流路（ＧＣ，ＧＡ）を密閉するためのシール材Ｓ１，Ｓ２を備えた構造である。また、膜電極接合体１が、その外周に樹脂製のフレーム１Ａを有している。
【００２７】
上記の燃料電池単セルＣは、図３（Ｂ）及び図４に示すように、セパレータ２におけるシール材Ｓの配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材Ｓ１，Ｓ２を溜めるシール材溜まり２Ａが形成してある。反応ガスの受圧側とは、反応ガスの圧力が作用する側であって、例えば、ガス流路ＧＣ，ＧＡの内側やマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の内側である。
【００２８】
つまり、フレーム１Ａ及びセパレータ２の縁部に配置するシール材Ｓ１に対しては、反応ガスが存在する側、すなわち少なくともガス流路ＧＣ，ＧＡ側にシール材溜まり２Ａを設ける。マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置するシール材Ｓ２に対しては、その両側に反応ガスや冷却液が存在する場合があるので、少なくとも圧力の高い側、若しくは両側にシール材溜まり２Ａを設ける。
【００２９】
図３（Ｂ）に示す実施形態では、フレーム１Ａ及びセパレータ２の縁部に配置するシール材Ｓ１に対して、セパレータ２におけるシール材Ｓ１の配置部分の両側に、シール材溜まり２Ａが形成してある。具体的には、セパレータ２の一部を膜電極接合体１から離間する方向に屈曲形成して、その屈曲部分をシール材溜まり２Ａとしている。また、セパレータ２において、両側のシール材溜まり２Ａ，２Ａの間の平坦部分をシール材Ｓ１の保持部２Ｂとしている。なお、図３（Ｂ）に示す実施形態では、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置するシール材Ｓ２に対しては、シール材溜まり２Ａが無いものとなっている。
【００３０】
ここで、本発明の燃料電池単セルＣでは、より好ましい実施形態として、膜電極接合体１及びセパレータ２の少なくとも一方におけるシール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に、凹凸を形成することができる。この実施形態では、膜電極接合体１がフレーム１Ａを有するので、そのフレーム１Ａ及びセパレータ２の少なくとも一方に凹凸を形成する。
【００３１】
図３（Ｂ）に示す実施形態では、フレーム１Ａに、複数の凸部１０Ａを所定間隔で形成することで、シール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に凹凸を形成している。これにより、フレーム１Ａの凹凸とセパレータ２の保持部２Ｂとを対向させて配置した構造になっている。また、保持部２Ｂの反対面（外面）には、シールプレートＰの内周シール部材５３やシール部材５１が配置してある。
【００３２】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す各実施形態では、フレーム１Ａ及びセパレータ２の縁部、及びマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置した各シール材Ｓ１，Ｓ２に対して、セパレータ２に、両側のシール材溜まり２Ａと保持部２Ｂが設けてある。図４に示す各実施形態は、先述の凹凸が無い構成であるが、いずれも保持部２Ｂの反対面には、シールプレートＰの内周シール部材５３が配置してあり、とくに、図４（Ａ）に示す実施形態では、保持部２Ｂに、シールプレートＰの内周シール部材５３を位置決めするための凹部２Ｃが形成してある。
【００３３】
さらに、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す各実施形態では、セパレータ２が、シール材溜まり２Ａ及び保持部２Ｂを有するほか、フレーム１Ａに、複数の凹部１０Ｂを所定間隔で形成することで、シール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に凹凸を形成している。図５（Ａ）に示す実施形態は、フレーム１Ａの表裏両面の凹部１０Ｂを、互いに同位相に配置したものである。図５（Ｂ）に示す実施形態は、フレーム１Ａの表裏両面の凹部１０Ｂを互いにずらせて配置したものである。
【００３４】
上記の燃料電池単セルＣは、以下の方法に基づいて製造することができる。すなわち、膜電極接合体１を一対のセパレータ２，２，で挟持すると共に、膜電極接合体１と各セパレータ２，２との間に形成したガス流路ＣＧ，ＡＧを密閉するためのシール材Ｓ１，Ｓ２を備えた燃料電池単セルＣを製造するに際し、セパレータ２におけるシール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材Ｓ１，Ｓ２を溜めるシール材溜まり２Ａを形成する。
【００３５】
そして、セパレータ２のシールの配置部分にシール材Ｓ１，Ｓ２を配置した後、セパレータ２と膜電極接合体１を接合して双方の間にシール材Ｓ１，Ｓ２により密閉されたガス流路ＣＧ，Ａｇを形成すると共に、シール材溜まり２Ａに、反応ガスの圧力を受けるようにシール材Ｓ１，Ｓ２を溜めた状態にする。
【００３６】
上記の燃料電池単セルＣは、セパレータ２におけるシール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に、反応ガスの受圧側にシール材Ｓ１，Ｓ２を溜めるシール材溜まり２Ａを設けたため、図３（Ｂ）、図４及び図５に示すように、シール材溜まり２Ａの部分に、シール材Ｓ１，Ｓ２の端部が塊状に充填形成される。
【００３７】
これにより、燃料電池単セルＣは、シール材溜まり２Ａを満たすシール材Ｓ１，Ｓ２の端部（端面）に反応ガスの圧力が作用し、シール材Ｓ１，Ｓ２が押圧されてセパレータ２及び膜電極接合体１のフレーム１Ａに密着することとなり、シール性能の向上を実現することができる。また、燃料電池単セルＣの製造方法によれば、上記の如くシール性の高い燃料電池単セルＣを容易に生産することができる。
【００３８】
さらに、燃料電池単セルＣは、膜電極接合体１のフレーム１Ａ及びセパレータ２の少なくとも一方、すなわち図３（Ｂ）及び図５に示す実施形態では、フレーム１Ａおけるシール材Ｓ１，Ｓ２の配置部分に凹凸を形成したことから、フレーム１Ａとシール材Ｓ１，Ｓ２との接触面積が増大し、接着強度を向上させる機能と、積層方向の荷重伝達の機能とを両立させることができる。この場合、とくに図３（Ｂ）に示す如く、突部１０Ａにより凹凸を形成すれば、フレーム１Ａとセパレータ２との間隔が小さくなり、積層方向の荷重伝達の機能がより高められる。
【００３９】
さらに、燃料電池単セルＣでは、上記の如くフレーム１Ａに凹凸を形成することにより、シール材Ｓ１，Ｓ２との接触面積が増大するのと同時に、双方の界面の侵食長さを大きく確保することができる。つまり、この種の燃料電池単セルは、長時間使用しているうちに、反応ガスの脈動等を受けるので、フレーム１Ａに対するシール材Ｓ１，Ｓ２の引張剪断接着強度が次第に低下し、双方の界面に反応ガスや生成物による侵食が生じる。
【００４０】
これに対して、燃料電池単セルＣでは、フレーム１Ａとシール材Ｓ１，Ｓ２との間において、凹凸によりガス流路ＧＣ，ＧＡ側から外部に至る界面の長さを充分に確保しておくことで、当該燃料電池単セルＣの寿命範囲を超えても反応ガスや生成物が外部に到達しない（ガス漏れが生じない）構造にすることができる。
【００４１】
図６は、本発明の燃料電池単セルＣにおけるシール材Ｓ１，Ｓ２の耐久性を説明するグラフである。すなわち、図６（Ａ）に示すように、フレーム１Ａに凹凸を形成してシール材Ｓ１，Ｓ２との接触面積を増大させれば、耐久時間を長くすることができる。また、図６（Ｂ）に示すように、凹凸数を増大させれば、その結果、フレーム１Ａとシール材Ｓ１，Ｓ２との接触面積も増大するので、耐久時間を長くすることができる。さらに、図６（Ｃ）に示すように、フレーム１Ａとシール材Ｓ１，Ｓ２との接触面積（凹凸数）を増大させれば、界面侵食長さも増大して、耐久時間を長くすることができる。
【００４２】
さらに、燃料電池単セルＣは、図３（Ｂ）及び図５に示すように、膜電極接合体１のフレーム１Ａの凹凸と、セパレータ２の保持部２Ｂとを対向させて配置したため、シール材Ｓ１，Ｓ２を定位置に確実に保持し得ると共に、燃料電池スタックＦＳを構成した際に、積層方向の荷重伝達を良好に行うことができる。
【００４３】
さらに、燃料電池単セルＣは、図３（Ｂ）及び図４に示すように、保持部２Ｂの外面にシールプレートＰのシール部材５１〜５３を配置している。つまり、フレーム１Ａとセパレータ２との間に介装したシール材Ｓ１，Ｓ２と、シールプレートＰのシール部材５１〜５３との積層方向の位置が一致している。これにより、燃料電池単セルＣは、シールプレートＰのシール部材５１〜５３をも定位置に確実に保持し得ると共に、シールプレートＰを含む積層方向の荷重伝達を良好に行うことができる。
【００４４】
さらに、燃料電池単セルＣは、膜電極接合体１が樹脂製のフレーム１Ａを一体的に備え、フレーム１Ａとセパレータ２との間にシール材Ｓ１，Ｓ２を介装するので、膜電極接合体１による発電領域の外側で良好なシール機能が得られると共に、発電領域に何ら影響を及ぼすことなく、シール材溜まり２Ａ、保持部２Ｂ及び凹凸（突部１０Ａ及び凹部１０Ｂ）といった加工部位を容易に形成することができる。
【００４５】
さらに、上記の燃料電池単セルＣの耐久性向上などに伴って、その燃料電池単セルＣを積層してなる燃料電池スタックＦＳにあっても、耐久性が向上すると共に、積層方向の荷重伝達の向上により、燃料電池単セルＣ間の面圧や接触抵抗、さらには各燃料電池単セルＣの発電機能の均一化などを実現することができる。
【００４６】
本発明に係わる燃料電池単セルは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能であり、例えば、上記各実施形態では、膜電極接合体１のフレーム１Ａにおけるシール材の配置部分に凹凸を形成した場合を例示したが、セパレータ２側におけるシール材の配置部分に、凹凸を形成することもできる。なお、凹凸は、物理的に形成したものの他、表面改質（例えば、UV、プラズマ、コロナ等）により化学的に形成したものでもよい。
【符号の説明】
【００４７】
Ｃ  燃料電池単セル
ＦＳ  燃料電池スタック
ＧＡ  アノードのガス流路
ＧＣ  カソードのガス流路
Ｓ１  Ｓ２  シール材
１  膜電極接合体
１Ａ  フレーム
２  セパレータ
２Ａ  シール材溜まり
２Ｂ  保持部
１０Ａ  凸部
１０Ｂ  凹部
【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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