(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化を図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】  両面にガス拡散層4a,4bを設けた電極−電解質膜接合体１と、一面の中央部１１に前記ガス拡散層と接触して燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流路を画成するセパレーター２、３と、からなるセルを複数枚積層して構成する燃料電池において、前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体との間に、前記セパレーターの中央部を取り囲むように配置される板状部材９を設け、前記板状部材の積層方向の厚さは、前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体が積層された時に、前記セパレーターが接触する前記ガス拡散層の接触部の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるように設定される。【選択図】図２
2006216294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面にガス拡散層を設けた電極−電解質膜接合体と、
一面の中央部に前記ガス拡散層と接触して燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流路を画成するセパレーターと、
からなるセルを複数枚積層して構成する燃料電池において、
前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体との間に、前記セパレーターの中央部を取り囲むように配置される板状部材を設け、
前記板状部材の積層方向の厚さは、前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体が積層された時に、前記セパレーターが接触する前記ガス拡散層の接触部の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるように設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータの他面は、他のセパレータの他面との間で冷媒流路を画成し、
これらセパレータ間に前記板状部材を設け、
前記板状部材の積層方向の厚さは、前記セパレーター同士が接して前記冷媒流路を画成するように設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータの中央部は上下に凸部が形成される波型に形成され、その一方の凸部に前記ガス拡散層の一面が接して前記ガス流路を画成し、他方の凸部に隣接する他のセルのセパレータの一方の凸部が接して前記冷媒流路を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記板状部材は、前記ガスまたは前記冷媒を前記流路に供給する各マニフォールドからのガスまたは冷媒が前記ガス流路または前記冷媒流路に供給されるように中空状に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記板状部材を取り囲むように、前記ガス流路と前記冷媒流路のシール性を担保する液状ガスケットを設けることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記板状部材と前記セパレーターとの間、および前記板状部材と前記電極−電解質膜接合体との間を接着剤により接着してシール性を担保することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項７】
両面にガス拡散層を設けた電極−電解質膜接合体と、
一面の中央部に前記ガス拡散層と接して燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流路を画成するセパレーターと、
からなるセルを複数枚積層して構成する燃料電池において、
前記セパレーターの中央部を取り囲む板状部材を積層方向の厚さの異なるように複数枚設け、
前記ガス拡散層の積層方向の厚さと、前記セパレーターの積層方向の厚さと前記中央部の高さとを計測するステップと、
計測した前記ガス拡散層と前記セパレーターの寸法から、前記ガス拡散層と前記セパレーターとが積層された時に前記セパレーターとの接触部における前記ガス拡散層の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるように前記板状部材を選択するステップと、
選択された板状部材を、前記圧縮率が所定値となる前記ガス拡散層を設けた電極−電解質膜接合体と前記セパレーターとの間に配置するステップと。
を備えたことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般的に表面に燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を画成するリブを設けた一対のセパレーターと、両面にガス拡散層を設けた電極−電解質膜接合体からなるセルを複数枚積層して構成されており、セパレーターの一面には、他のセパレーターの一面と接することで、発電により発生する熱を放熱するクーラントが流通するクーラント流路が設けられる（特許文献１参照）。
【０００３】
セパレーターの各流路リブは、電極−電解質膜接合体のガス拡散層と接しており、これによって、電極−電解質膜接合体のアノードで生じた電子はガス拡散層を通過して、一対のプレートからなるセパレーターを介し、更に隣接する電極−電解質膜接合体のガス拡散層を経てカソードに達する。このとき、電子が流れる経路の電気抵抗がそのまま燃料電池の損失となり、その中でも特に部材同士が接触する面の接触抵抗が大きい。また、部材同士の接触面圧が大きいほど、この接触面の抵抗は小さくなる傾向がある。このため、固体高分子型燃料電池は通常、その積層方向に一定の荷重をかける構造となっている。ガス拡散層には、通常カーボン繊維からなるカーボンペーパーもしくはカーボンクロスが用いられており、これらの材料は比較的高い弾性を持つため、ガス拡散層は積層荷重によってある程度圧縮された状態で使用される。ただし、過度に圧縮するとガス拡散性が悪化するため、圧縮率は適切な範囲に保つ必要がある。
【０００４】
このため、従来はセパレーター外周部に一定の高さの当接面を設け、これを電極−電解質膜接合体の外周部に接触させることにより、ガス拡散層の過度な圧縮を防ぐ構造とすることが一般的であった。
【０００５】
また、各セパレーター及び電極−電解質膜接合体の外周部には通常、セル内のガスやクーラントが外部に流出するのを防ぐためにリップタイプの圧縮ガスケットや、液状ガスケット等のシール部材が設けられている。
【特許文献１】特開２００４−２４７１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス拡散層に用いられるカーボンペーパーやカーボンクロスは、厚さ寸法の製造バラツキが比較的大きいため、従来構造のように外周部の当接面で規制される高さに圧縮すると、厚さ下限品では圧縮率が不足してセパレーターの流路リブとの接触抵抗が大きくなり、厚さ上限品では圧縮率が過剰になりガス拡散性が低下する。このため、結果として燃料電池の発電性能が低下するという問題点があった。
【０００７】
一方、燃料電池の小型化のためにはセパレーターを薄くすることが必要である。このため、最近では強度やガス透過の面で薄肉化に限界のあるカーボン成形品に変わって金属薄板のプレス成形品が用いられる傾向にある。この場合、プレス成形品は肉厚が一定であるためその表裏に自由な形状を成形することが出来ない。このためカーボン成形品と異なり、流れを整流するためのガイド形状や、シールに液状ガスケットを用いた場合の流路内へのガスケットはみ出し防止形状等を設けるにあたり著しい制約を生じていた。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、小型化と発電性能を両立できる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】
【０００９】
本発明は、両面にガス拡散層を設けた電極−電解質膜接合体と、
一面の中央部に前記ガス拡散層と接して燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流路を画成するセパレーターと、
からなるセルを複数枚積層して構成する燃料電池において、
前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体との間に、前記セパレーターの中央部を取り囲むように配置される板状部材を設け、
前記板状部材の積層方向の厚さは、前記セパレーターと前記電極−電解質膜接合体が積層された時に、前記セパレーターが接触する前記ガス拡散層の接触部の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるように設定される
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、板状部材の厚さをセパレーターと電極−電解質膜接合体のバラツキに応じてガス拡散層の圧縮率を所定値となるように調節するので、ガス拡散層の圧縮率を所定値に維持して燃料電池の発電性能を適正に発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１、図２に示す本発明の燃料電池セル構造は、金属薄板のプレス成形品をセパレーターに用いた固体高分子型燃料電池のセル構造である。図１は、燃料電池セルの平面図を、図２は同じく燃料電池セル断面図（断面Ａ−Ａ）を示す。
【００１２】
燃料電池セルＳは、電極−電解質膜接合体（以下、ＭＥＡという）１と、ＭＥＡ１を挟持するアノードセパレーター２及びカソードセパレーター３と、各セパレータ２、３とＭＥＡ１と間に設置されるガス拡散層４ａ、４ｂから構成される。燃料電池は通常、セルＳを複数積層したスタック構造として用いられる。
【００１３】
各々のセパレーター２、３は、ガス拡散層４ａ、４ｂに面する中央領域１１では、波型に形成されており、図２によれば波型の凸部２ａは、ＭＥＡ１のアノード側ガス拡散層４ａに接触し、水素（または水素リッチの改質ガス）が流通する水素流路５を区画する。また、アノードセパレーター２の凹部２ｂと隣接する他のセルＳのカソードセパレーター３の凸部３ａとが接して、冷媒が流通するクーラント流路７が形成される。クーラント流路７を形成するカソードセパレーター３の凹部３ｂは、隣接する他のセルＳのカソード側ガス拡散層４ｂと接触し、空気（または酸素）が流通する空気流路６を形成する。
【００１４】
このようにして、図示しないコンプレッサや高圧タンクから水素や空気が各流路５、６に供給されて、ＭＥＡ１の両面に設けられたガス拡散層４を通してＭＥＡ１の各極に供給され、発電に供される。発電に伴う熱により加熱したセルＳを冷却するためにクーラント流路７に水等の冷媒が流通される。
【００１５】
このように構成され、ＭＥＡ１のアノードでは、水素流路５からガス拡散層４ａを介して供給された水素が、電子を放出しイオン化し、イオン化した水素が電解質膜を貫通してカソードに到達するとともに、電子は、ガス拡散層４ａ、アノードセパレーター２及びカソードセパレーター３を通過し、更に隣接するＭＥＡ１のカソード側ガス拡散層４ｂを経て隣接するＭＥＡ１のカソードに達する。
【００１６】
一方、カソード極では、電解質を通過した水素イオン及び電子と空気流路６から供給される空気に含まれる酸素とが化学反応して水が生成され、生成水はカソードセパレーター２から排出される。
【００１７】
また、各セパレータ２、３の中央領域１１に面する位置にガス拡散層４が配置され、その外側領域では化学反応が生じず、したがって、ＭＥＡ１の外周部に化学反応に寄与しない領域がある。この領域ではガス拡散層４を固定する樹脂製のフレーム８が設けられる。このフレーム８と各セパレーター２、３との間、およびクーラント流路７を形成するセパレーター間に挟まれて板状部材９が配置され、更にその板状部材９を取り囲むように各流体の漏洩を防止するシール材としての液状ガスケット１０が配置されている。
【００１８】
セルＳは積層方向に荷重が負荷されており、この荷重によってセパレーター２、３によりガス拡散層４の接触部が圧縮される。板状部材９がフレーム８及びセパレーター２、３に接触することでガス拡散層４の接触部の圧縮量が規制される。ガス拡散層４の圧縮量は水素流路５、空気流路６においては、ガス拡散層４の厚さとフレーム８の厚さ、セパレーター２、３の高さによって決まる。しかし、これらの寸法はそれぞれ製造バラツキを持っており、特にガス拡散層４の厚さの製造バラツキは大きい。これに対し、本発明では組立時にあらかじめ複数の異なる厚さの板状部材９を用意し、各々のガス拡散層４の厚さ及びフレーム８の厚さ、セパレーター２、３の高さに応じて、ガス拡散層４の圧縮率（＝ガス拡散層４の積層方向の接触前の厚さに対する厚さの変化率）が所定値になるように板状部材９の厚さを選択して燃料電池を組み立てる。これによって、セパレーター２、３とガス拡散層４との適切な接触面圧を確保して接触抵抗の低減を図るとともに、ガス拡散層４の過度な圧縮によるガス拡散の悪化を防ぎ、発電効率の低下を防止することができる。
【００１９】
したがって、本発明の燃料電池の製造工程は以下のようになる。
１．ＭＥＡ１の厚さ、セパレーター２、３の厚さと中央領域１１での高さ、ガス拡散層４の厚さ、フレーム８の厚さを計測する（なお、計測する厚さおよび高さは、積層方向の寸法とする）。
２．１項の測定結果のバラツキに応じて、厚さの異なる板状部材９を用意する。
３．燃料電池を構成する厚さ等の明らかな前述の構成部材（板状部材９を除く）を選択し、かつ選択した構成部材の寸法からセルの積層時にセパレータ２、３が接触するガス拡散層４の圧縮率が所定値となる厚さを備えた板状部材９を選択する。
４．選択した構成部材を、例えば、図２に示すように下から設置して行く。なお、アノードセパレーター２とカソードセパレーター３との間も同様に、アノードセパレーターとカソードセパレータ３が確実に接触するように、各セパレーター２、３の計測した高さに応じて板状部材９の厚さを選定して組み込む。この際、板状部材９は、各々のクーラント流路７での漏洩がないように選定される。これによって、セパレーター２、３が適切に接触して接触抵抗が低減されるとともに、隙間が生じることがないので安定した積層を行うことができる。
５．なお、フレーム８とセパレーター２、３間および各セパレーター２、３間には液状ガスケット１０が配置される。
６．このような手順で所定枚数のセルＳを積層し、図示しない軸方向に負荷を作用させるボルトとナット等の拘束手段で、各セルＳに所定の圧力を作用させて締め付け、燃料電池の組み立てが完了する。
【００２０】
また、水素流路５、空気流路６及びクーラント流路７の外周には、これらの流路内を流通する流体の漏洩を防止するためのシール手段がこれら流路を取り囲むように設けられるのが通常である。しかし本実施形態では、このシール手段として板状部材９の外周に液状ガスケット１０を使用し、各流路から流体が板状部材９を通じて外部に漏洩することを防止する。液状ガスケット１０は、各セパレーター２、３またはフレーム８に塗布した後で、上下の部材間で押し潰して使用する。押し潰して密着させた際に横方向に広がり、広がった部分が流路側にはみ出して固まると流体の流れに支障を来たす可能性がある。しかしながら、本発明では板状部材８が堰の役割を果たし、この余分な液状ガスケットが水素流路５、空気流路６及びクーラント流路７に流入するのを防ぐことができる。
【００２１】
一方、各板状部材９の内側は中空状に抜かれ、各流路に面する内周端部９ａは図１に示すように、中央領域１１と、中央領域１１に流体を供給するための各流体ごとのマニフォールド孔１２〜１４と、これらを連通させるディフューザー部１５とを形成しており、このディフューザー部１５は流体を整流するガイド形状を有している。これによって、マニフォールド孔１２〜１４から中央領域１１に円滑に流体を供給することができる。
【００２２】
各セパレーター２、３のクーラント流路７を形成する面は、本実施形態のようにセパレーター２、３に金属薄板のプレス成形品を用いた場合には各セパレーター２、３の板厚が均一であるため、各セパレーター２、３の両面にディフューザー部１５のようなガイド形状を成形することが困難である。しかしながら、本発明ではセパレーター２、３とは別部材（板状部材９）でガイド形状を構成するため、適切な形状を得ることができる。また、ガイド形状の上下面が隙間なくセパレーター２、３ないしＭＥＡ１に接触するので、より確実に流体を整流することができる。
【００２３】
図３に第２実施形態の燃料電池セル断面図を示す。本実施形態では、第１実施形態と同様の板状部材を用いるとともに、この板状部材の両面をセパレーター２、３の外周部ないし樹脂フレーム８と接着剤により接着することによりシール機能を持たせた構成である。これにより、シール機能専用のシール手段（前述の液体ガスケット１０）を設ける必要がないためセルの寸法を小型化することができる。
【００２４】
したがって、本発明では、板状部材９の積層方向の厚さを変更して、セパレーター２、３とＭＥＡ１とが積層された時のセパレーター２、３が接触するガス拡散層４の接触部の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるようにするので、ガス拡散層４の圧縮率を所定値に維持して燃料電池の発電性能を適正に発揮できる。
【００２５】
隣接するセパレータ２、３間に板状部材を冷媒流路が形成されるように設けたので、冷媒流路を容易に設けるとともに、冷媒の漏洩を防止することができる。
【００２６】
セパレータ２、３の中央領域１１は、上下に凸部２ａ、３ａ、凹部２ｂ、３ｂが形成される波型に形成され、その一方の凸部２ａにガス拡散層４の一面が接してガス流路５を画成し、他方の凹部２ｂに隣接する他のセルＳのセパレータ３の一方の凸部３ａが接してクーラント流路７を形成するため、容易にガス流路５、６やクーラント流路７を形成することができる。
【００２７】
板状部材９は、ガスまたは冷媒を流路５〜７に供給する各マニフォールド１２〜１４からのガスまたは冷媒がガス流路５、６またはクーラント流路７に供給されるように中空状に形成されるので、容易に流路を形成することができる。
【００２８】
板状部材９の外側に、各流路５〜７のシール性を担保する液状ガスケット１０を設けたので、液状ガスケット１０が各流路内にはみ出すことを板状部材９により抑制し、シール性を担保することができる。
【００２９】
また、板状部材９とセパレーター２、３との間、および板状部材９とＭＥＡ１との間を接着剤により接着してシール性を担保するので、シールのための構成部材を設ける必要がなく、セルＳの寸法を小型化することができる。
【００３０】
さらに、本発明では、セパレーター２、３の中央部１１を取り囲む板状部材９を積層方向の厚さ違いに複数枚設け、ガス拡散層４の積層方向の厚さと、セパレーター２、３の積層方向の厚さと中央部１１の高さとを計測するステップと、計測したガス拡散層４とセパレーター２、３の寸法から、ガス拡散層４とセパレーター２、３とが積層された時にガス拡散層４とセパレーター２、３の接触部におけるガス拡散層４の積層方向の厚さの変化率である圧縮率が所定値となるように板状部材９を選択するステップと、を備えた燃料電池の製造方法としたので、ガス拡散層の圧縮率を所定値に維持して燃料電池の発電性能を適正に発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の燃料電池セル平面図である。
【図２】同じく燃料電池セル断面図（図１の断面Ａ−Ａ）である。
【図３】第２実施形態の燃料電池セル断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：ＭＥＡ
２：アノードセパレーター
３：カソードセパレーター
４：ガス拡散層
５：アノードセパレーターガス流路
６：カソードセパレーターガス流路
７：クーラント流路
８：フレーム
９：板状部材
１０：液状ガスケット
１１：中央領域
１２：水素マニフォールド孔
１３：クーラントマニフォールド孔
１４：空気マニフォールド孔
１５：ディフューザー部
【図１】
2006216294.tif 000003
【図２】
2006216294.tif 000004
【図３】
2006216294.tif 000005