(57)【要約】【課題】燃料電池において、低コストでかつ信頼性の高い固体高分子型燃料電池の外周シール構造を提供する。【解決手段】電極構造体１と対面するアノード側のセパレータ４の表面の外周部に断面形状が円弧状の凹溝１２を、電極構造体１と対面するカソード側のセパレータ５の表面の外周部に凹溝１２より断面形状が円弧状の凸条１３をそれぞれ一体成形し、凹溝１２より凸条１３の方が円弧の径が小さく設定される。同一の単セル２に設けられる凹溝１２及び凸条１３は、電極触媒層６，７，高分子電解質膜８及び９，９の積層方向において互いに対向し、かつ樹脂シート１０を挟み込む位置に設けられる。さらに、セパレータ４，５それぞれの端面に段付溝１８が形成され、樹脂シート１０の外周側面から段付溝１８内にかけてシール剤１９が充填される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを複数積層したスタックよりなる燃料電池であって、
前記単セルは、
積層体の外周部に樹脂シートを接合形成してなる電極構造体と、
前記電極構造体を挟持する一対のセパレータとを有し、
前記積層体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極触媒層と、前記一対の電極触媒層の外側に各々が積層される一対のガス拡散層とを含み、
前記一対のセパレータの一方には、前記電極構造体と対面する表面の外周部に断面形状が所定形状の凹溝が設けられ、前記一対のセパレータの他方には、前記電極構造体と対面する表面の外周部に断面形状が前記所定形状の凸条が設けられ、前記凹溝及び前記凸条は前記電極構造体の積層方向において互いに対向し、かつ前記樹脂シートを挟み込む位置に設けられたことを特徴とする、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記一対のセパレータは、それぞれ端面に段付溝が設けられ、
前記樹脂シートの最外側面及び前記一対のセパレータの前記段付溝にかけて設けられたシール剤をさらに備える、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池であって、
前記所定形状は円弧状を含む、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池であって、
前記所定形状は台形状を含み、前記凹溝は底辺が短辺の前記台形状を含み、前記凸条は頂部が短辺の前記台形状を含む、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池であって、
前記所定形状は三角形状を含み、前記凹溝は底辺が頂点の前記三角形状を含み、前記凸条は頂部が頂点の前記三角形状を含む、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池に関し、特に固体高分子型燃料電池の外周シール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般に平板状の電極構造体の両側にセパレータが積層されて単セルが構成され、複数の単セルが積層されてスタックとして構成される。このように構成される固体高分子型燃料電池として、例えば、特許文献１に開示された固体高分子型燃料電池が挙げられる。
【０００３】
特許文献１に挙げられた固体高分子型燃料電池は、一方のセパレータのシール部位にシール溝を設け、このシール溝に、シール溝の深さよりも肉厚で、かつ先端部が漸次幅狭とされた第１のシールを設け、他方のセパレータのシール部位に凸条を設け、この凸条の先端面に一定の幅を有するシート状の第２のシールを設け、第１のシールと第２のシールとで高分子電解膜を挟み込み、ガス通路をシールする構造を呈している。
【０００４】
このような固体高分子型燃料電池において、アノード側のセパレータのガス通路に燃料ガスを流し、カソード側のセパレータに酸化剤ガスを流すと、電気化学反応が起こり、電気が発生する。燃料電池の動作中では、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガス及び酸化剤ガスを拡散させる。また、アノード側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせプロトンと電子を発生し、カソード側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、高分子電解質膜はプロトンをイオン伝達させる。そして、両極の電極触媒層を通して電力が取り出される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−４２８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の固体高分子型燃料電池においては、単セル端部周辺から燃料ガスと酸化剤ガスがリークすると発電効果が低下するというガスリーグ問題があった。
【０００７】
特許文献１で開示された固体高分子型燃料電池の構造は、上記ガスリーク問題の解消を図った構造である。しかし、この構造は、高分子電解質膜を挟むための第１シールと第２シールとが必要であり、組立性が悪く、製造コストが高くなるという問題点があった。
【０００８】
さらに、高分子電解質膜は５０μｍ程度であり、剛性がないため、第１シールと第２シールの接圧（接触圧）が大きいと破膜する危険があり高い信頼性を維持することができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを防止し、部品点数の削減が図られる低コストでかつ信頼性の高い固体高分子型燃料電池の外周シール構造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】
【００１０】
この発明に係る請求項１記載の燃料電池は、単セルを複数積層したスタックよりなり、前記単セルは、積層体の外周部に樹脂シートを接合形成してなる電極構造体と、前記電極構造体を挟持する一対のセパレータとを有し、前記積層体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極触媒層と、前記一対の電極触媒層の外側に各々が積層される一対のガス拡散層とを含み、前記一対のセパレータの一方には、前記電極構造体と対面する表面の外周部に断面形状が所定形状の凹溝が設けられ、前記一対のセパレータの他方には、前記電極構造体と対面する表面の外周部に断面形状が前記所定形状の凸条が設けられ、前記凹溝及び前記凸条は前記電極構造体の積層方向において互いに対向し、かつ前記樹脂シートを挟み込む位置に設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明における請求項１記載の燃料電池の外周シール構造は、一対のセパレータの一方には凹溝が設けられ、他方には凸条が設けられ、これらの凹溝及び凸条は電極構造体の積層方向において互いに対向し、かつ樹脂シートを挟み込む位置に設けられため、樹脂シートが凹部及び凸条にかしめられることにより一対のセパレータ間に密着性良く設けることができ、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを精度良く防止することができる。
【００１２】
さらに、電極構造体のシールする部品として、樹脂シート以外の他の部品を必要としないため、製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
（構成）
図１はこの発明の実施の形態１である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。同図に示すように、実施の形態１の固体高分子型燃料電池は電極構造体１とこれを挟持するアノード側のセパレータ４及びカソード側のセパレータ５とから単セル２が構成される。そして、これら単セル２が複数組積層され（図１では説明の都合上、２組積層の場合を示している）、例えば、ボルト、ナット等の締め付け機構により一体化されてスタック３が構成される。
【００１４】
なお、セパレータ４にはガス通路４ａ及び冷媒通路５ｂ、セパレータ５にはガス通路５ａがそれぞれ設けられる。また、セパレータ４，５としては、金属材料もしくは樹脂と黒鉛の複合材料が好ましい。
【００１５】
電極構造体１は、電極触媒層６，７の間に高分子電解質膜８が挟まれ、電極触媒層６，７の外側にガス拡散層９，９がそれぞれ積層され、ガス拡散層９，９と電極触媒層６，７及び高分子電解質膜８からなる積層体の外周部に樹脂シート１０が接合形成されることにより構成される。図１に示すように、樹脂シート１０，１０は高分子電解質膜８の両端部（電極触媒層６，７，ガス拡散層９から突出した部分）を覆って設けられる。なお、高分子電解質膜８は電極触媒層６、７、ガス拡散層９に比べ、端部が突出しているのは、高分子電解質膜８の伸縮性を考慮したものである。
【００１６】
上記したガス拡散層９は、例えば、多孔質カーボンペーパー、多孔質カーボンクロスから形成される。また、固体高分子電解質膜８として、フッ素樹脂系イオン交換膜等を用いる。一方、電極触媒層６，７は例えば白金（Ｐｔ）を主体としたものである。
【００１７】
電極構造体１（樹脂シート１０を含む）と対面するアノード側のセパレータ４の表面の外周部に断面形状が円弧状の凹溝１２を、電極構造体１と対面するカソード側のセパレータ５の表面の外周部に凹溝１２より断面形状が円弧状の凸条１３をそれぞれ一体成形する。なお、凹溝１２より凸条１３の方が円弧の径が小さく設定される。同一の単セル２に設けられる凹溝１２及び凸条１３は、電極触媒層６，７，高分子電解質膜８及び９，９の積層方向（図１で示す上下方向）において互いに対向し、かつ樹脂シート１０を挟み込む位置に設けられる。
【００１８】
また、セパレータ４，５それぞれの端面に段付溝１８が形成される。そして、樹脂シート１０の外周側面から段付溝１８内にかけてシール剤１９が充填される。
【００１９】
（製法）
電極構造体１を挟んで両極側のセパレータ４，５の凹凸形状のシール溝（凹溝１２，凸条１３）が向かい合っているため、セパレータ４，５によって電極触媒層６，７、高分子電解質膜８、ガス拡散層９、及び樹脂シート１０を挟み込む際、セパレータ４，５からの積層圧により電極構造体１の樹脂シート１０をかしめる。これにより樹脂シート１０が凹溝１２，凸条１３に倣って弾性変形し、樹脂シート１０の一部が凹溝１２内に挿入させることにより、セパレータ４，５と樹脂シート１０とが密着してガスシール性が高精度に確保される。
【００２０】
また、凹溝１２より凸条１３の径を小さくしているため、凹溝１２より凸条１３の径を同等または大きくすることによって樹脂シート１０のかしめ度合が大きくなりすぎることはないため、凹溝１２内における積層保管性に優れた適度な密着性を保つことができる。
【００２１】
さらに、セパレータ４，５による樹脂シート１０等の挟み込み後において、電極構造体１をセパレータ４，５で挟持した状態で、セパレータ４，５の端面の段付溝１８及び樹脂シート１０の最外部に塗布装置で一液性加熱硬化型オレフィン系液状シール剤１９を充填し、シール剤１９を加熱硬化させる。これにより、単セル１の端部周辺のガスシール性が一層強化される。
【００２２】
なお、シール剤１９の幅広部１９ａ及び幅狭部１９ｂに関し、単セル２を得る最終工程に幅広部１９ａの塗布工程を行うことが望ましく、スタック３を得る最終工程に幅狭部１９ｂの塗布工程を行う必要がある。
【００２３】
（一般的な外周シール構造との比較）
図４は実施の形態１の固体高分子型燃料電池の効果説明用の一般的な固体高分子型燃料電池の断面図である。
【００２４】
同図に示すように、一般的な固体高分子型燃料電池は、電極構造体の外周の樹脂シート１０をセパレータ４，５の互いに対向する表面の外周部にフッ素系樹脂のＯリング１１を備え、Ｏリング１１で電極構造体１を締め付けてシールしている。なお、電極構造体１、単セル２、スタック３、電極触媒層６，７、高分子電解質膜８、及びガス拡散層９の構造等は図１で示した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００２５】
しかしながら、上記した一般的なシール構造では、Ｏリング１１の形状のバラツキ等に起因して、締め付け圧力の面内バラツキなどによって完全にシールすることは困難である。さらにＯリング１１を使用すると、部品点数が増えるとともに、組立性が悪く、燃料電池の製造コストが高くなるという問題もある。
【００２６】
一方、実施の形態１の固体高分子型燃料電池の外周シール構造は、Ｏリング１１を用いることによる問題は不完全なシール性の問題は生じないため、シール性は高くすることができる。さらに、Ｏリング１１が不要な分、部品点数の削減を図ることができ、組み立て性を損なうことなく、製造コストの低下を図ることができる。
【００２７】
＜実施の形態２＞
図２はこの発明の実施の形態２である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。同図に示すように、電極構造体１と対面するアノード側のセパレータ４の表面の外周部に断面形状が台形状の凹溝１４を、電極構造体１と対面するカソード側のセパレータ５の表面の外周部に凹溝１４より断面形状が台形状の凸条１５をそれぞれ一体成形する。なお、凹溝１４に比べ凸条１５は全体形状が小さく形成され、凹溝１４は底部が短辺、凸条１５は上部が短辺となる台形状を呈している。
【００２８】
同一の単セル２に設けられる凹溝１４及び凸条１５は、電極触媒層６，７，高分子電解質膜８及び９，９の積層方向において互いに対向する位置に設けられる。なお、他の構成は図１で示した実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００２９】
実施の形態２のように、凹溝１４、凸条１５を台形状に形成しても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００３０】
＜実施の形態３＞
図３はこの発明の実施の形態３である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。同図に示すように、電極構造体１と対面するアノード側のセパレータ４の表面の外周部に断面形状が三角形状の凹溝１６を、電極構造体１と対面するカソード側のセパレータ５の表面の外周部に凹溝１６より断面形状が三角形状の凸条１７をそれぞれ一体成形する。なお、凹溝１６に比べ凸条１７は全体形状が小さく形成され、凹溝１６は底部が頂点、凸条１７は上部が頂点となる三角形状を呈している。
【００３１】
同一の単セル２に設けられる凹溝１６及び凸条１７は、電極触媒層６，７，高分子電解質膜８及び９，９の積層方向において互いに対向する位置に設けられる。なお、他の構成は図１で示した実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
【００３２】
実施の形態３のように、凹溝１６、凸条１７を三角形状に形成しても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００３３】
＜その他＞
上述した実施の形態１〜実施の形態３において、凹溝、凸条に共通する断面形状（所定形状）として、円弧状、台形状、三角形状の例を示したが、この形状に限定されず、例えば、四角形状でも良く。凹溝及び凸条の断面形状を相似形状にし、かつ凹溝に比べ凸条の全体形状を小さくすることにより、樹脂シート１０を適度にかしめることができるという共通の効果を奏する。
【００３４】
さらに、実施の形態１〜実施の形態３においては、セパレータ４，５の両端部にそれぞれ一対の凹溝，凸条を設けた例を示したが、二対以上の複数対の凹溝，凸条を設ける構成でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３である固体高分子型燃料電池の構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態１の効果説明用の固体高分子型燃料電池の一般的な構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電極構造体、２  単セル、３  スタック、４，５  セパレータ、６，７  電極触媒層、９  ガス拡散層、１０  樹脂シート、１２，１４，１６  凹溝、１３，１５，１７  凸条、１８  段付溝、１９  シール剤。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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