(57)【要約】      （修正有）【課題】  機械的強度を向上することが可能であると共に、燃料電池の発電性能を向上させることが可能な燃料電池用構造部材、及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池を提供する。【解決手段】  機械的強度付与材が添加されてなる樹脂１２から構成される構造部材本体１３と、構造部材本体１３の両側表面に配設され、前記機械的強度付与材が露出することを防止する保護層１４とを備え、流体流路が形成されてなるセパレータ２０と、ＭＥＡ６０との間に配設される燃料電池用構造部材１０である。【選択図】    図１
2006338922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路が形成されてなるセパレータと、電解質部材との間に積層される構造部材であって、
機械的強度付与材が添加されてなる樹脂から構成される構造部材本体と、
前記構造部材本体の表面に配設され、前記機械的強度付与材が露出することを防止する保護層と、
を備えてなる燃料電池用構造部材。
【請求項２】
前記保護層は、前記構造部材本体を構成する樹脂を主成分とすると共に、前記構造部材本体に連続して一体的に形成されてなる請求項１記載の燃料電池用構造部材。
【請求項３】
前記保護層は、樹脂を主成分とすると共に、前記構造部材本体とは別体として形成されてなり、当該構造部材本体に取付けられてなる請求項１記載の燃料電池用構造部材。
【請求項４】
燃料電池に組み込まれた際の積層方向における中心部から前記保護層の外表面に向けて、前記機械的強度付与材の含有量が低下してなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項５】
前記保護層に前記機械的強度付与材が存在していない請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項６】
前記樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項７】
前記機械的強度付与材が、グラスファイバである請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的強度付与材が含有され、優れた機械的強度を備えると共に、燃料電池に組み込まれた際に、優れた発電性を発揮させることが可能な燃料電池用構造部材及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池用セパレータとして、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路を構成する多数の溝が形成されてなる金属プレートからなるセパレータが使用されている。この金属プレートからなるセパレータが配設された燃料電池として、当該セパレータと、電解質部材との間に樹脂製のフレームを配設したものがある。
【０００３】
このような樹脂製のフレーム（構造部材）を備えた燃料電池として、例えば、金属製のプレスプレートからなるセパレータと、樹脂製のフレームとを備え、材料的に軽量かつ安価にし、セパレータ（金属プレスプレート）同士の接合部の溶接を不要にして生産性を高め、かつ、セパレータ（金属プレスプレート）と樹脂製のフレームとの間の気密的接合を的確して燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路からのガス漏洩、冷却水の漏洩を確実に防止したものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２９１５２２号公報
【特許文献２】特開２００２−１０５３２９号公報
【特許文献３】特表２００３−５２３０６６号公報
【特許文献４】特開２０００−３６３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、燃料電池の小型化、軽量化等の要求から、燃料電池用セパレータの肉薄化が要求されているが、肉薄化されたセパレータを使用した燃料電池であっても、十分な機械的強度を備えている必要がある。そこで、優れた機械的強度を確保するため、熱可塑性樹脂等にグラスファイバを添加した材料で、前記フレームを構成した燃料電池用構造部材も紹介されている。
【０００５】
しかしながら、熱可塑性樹脂等にグラスファイバを添加した材料で燃料電池用構造部材としての樹脂フレームを形成すると、燃料電池に組み込まれた際に、この樹脂フレームの表面からグラスファイバが露出して、グラスファイバ成分である金属イオン（例えば、Ｃａ、Ｓｉ、Ｂａ、Ｚｎ等）が外部に溶出する虞がある。そして、このように樹脂フレームから金属イオンが外部に溶出すると、前記燃料電池の発電性能を低下させる虞がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、燃料電池用構造部材の機械的強度が向上し、さらに燃料電池に組み込まれた際に、当該燃料電池の発電性能を向上させることが可能な燃料電池用構造部材を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、本発明にかかる燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池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】
この目的を達成するため本発明は、流体流路が形成されてなるセパレータと、電解質部材との間に積層される構造部材であって、機械的強度付与材が添加されてなる樹脂から構成される構造部材本体と、前記構造部材本体の表面に配設され、前記機械的強度付与材が露出することを防止する保護層と、を備えてなる燃料電池用構造部材を提供するものである。
【０００９】
この構成を備えた燃料電池用構造部材は、樹脂に機械的強度付与材が添加されているため、機械的強度を向上することができる。また、保護層の存在によって、当該燃料電池用構造部材の表面から機械的強度付与材が露出しないため、当該機械的強度付与材の成分が外部に溶出することがない。したがって、本発明にかかる燃料電池用構造部材が、燃料電池に組み込まれた際に、前記機械的強度付与材の成分が当該燃料電池の性能に悪影響を及ぼすことがない。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池用構造部材では、前記保護層を、前記構造部材本体を構成する樹脂を主成分として構成すると共に、当該構造部材本体に連続して一体的に形成してもよい。
【００１１】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池用構造部材では、前記保護層を、樹脂を主成分として前記構造部材本体とは別体として形成し、当該構造部材本体に取付けてもよい。この場合、前記保護層を構成する樹脂は、前記構造部材本体を構成する樹脂と同じ樹脂であってもよく、異なった種類の樹脂であってもよい。
【００１２】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、燃料電池に組み込まれた際の積層方向における中心部から前記保護層の外表面に向けて前記機械的強度付与材の含有量が低下するよう構成することもできる。また、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、前記保護層に機械的強度付与材が存在しないように構成することもできる。
【００１３】
前記構造部材本体を構成する樹脂としては、熱硬化性樹脂を好適に使用することができる。また、前記保護層を構成する樹脂として、熱硬化性樹脂を好適に使用することもできる。
【００１４】
そしてまた、前記機械的強度付与材としては、グラスファイバを好適に使用することができる。ここで、前記機械的強度付与材としてグラスファイバを使用したとしても、本発明にかかる燃料電池用構造部材は、保護層の存在によって、その表面にグラスファイバが露出することがない。したがって、この燃料電池用構造部材を燃料電池に組み込んだ際に、グラスファイバ成分である金属イオンが、当該燃料電池用構造部材から外部に溶出することがないため、燃料電池の電圧が低下し、発電性能を低下させるという問題が発生することがない。
【００１５】
また、本発明は、前述した燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池を提供するものである。この燃料電池は、燃料電池用構造部材に含有されている機械的強度付与材の成分が外部に溶出することがないため、最適な電圧を確保することができ、優れた発電性能を発揮することができる。
【００１６】
なお、燃料電池用構造部材は、主として、一対のセパレータ間の隙間（例えば、電解質部材（ＭＥＡ等）の厚さよりも若干小さい隙間）を埋める機能を備えるが、メタルセパレータの剛性を維持する機能や、一対のセパレータ間の絶縁を維持する機能、接着剤を保持する機能等も有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる燃料電池用構造部材は、表面に保護層が配設されているため、当該燃料電池用構造部材の表面から機械的強度付与材が外部に露出することがない。したがって、本発明にかかる燃料電池用構造部材を燃料電池に組み込んだ際に、前記機械的強度付与材の成分が外部に溶出することがなく、当該燃料電池の性能に悪影響を及ぼすことがない。この結果、機械的強度を向上することができると共に、燃料電池の発電性能を向上させることができる信頼性の高い燃料電池用構造部材を提供することができる。
【００１８】
また、本発明にかかる燃料電池は、構成要素である燃料電池用構造部材に含有されている機械的強度付与材の成分が外部に溶出することがない。この結果、最適な電圧を確保することができ、優れた発電性能を発揮することができると共に、信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用構造部材及びこの燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池について、図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用構造部材の断面図、図２は、図１に示す燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池の概略を示す側面図、図３は、図２に示す燃料電池の構成要素である単セルの一部拡大断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用構造部材１０は、機械的強度付与材としてのグラスファイバ１１が添加されてなる樹脂１２から構成される構造部材本体１３と、構造部材本体１３の両側表面に配設された保護層１４とを備えて構成されている。
【００２２】
構造部材本体１３の構成要素である樹脂１２は、熱硬化性樹脂からなり、構造部材１０を構成する材料として最適な導電性、機械的強度、成形性、ガスバリア性、耐腐食性及び成形性を有している。このような樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。また、構造部材本体１３の機械的強度をさらに向上する目的で、樹脂１２には、グラスファイバ１１が添加されている。
【００２３】
保護層１４は、樹脂１２と同様の樹脂から構成されており、グラスファイバ１１は添加されていない。そして、この保護層１４は、構造部材本体１３の構成要素であるグラスファイバ１１が構造部材１０の表面から露出することを防止する役割を果たしている。また、保護層１４は、構造部材１０が、後に詳述する燃料電池５０に組み込まれた際に、ＭＥＡ６０と対向する表面及びその裏面（両側表面）に配設されている。なお、本実施の形態では、保護層１４は、構造部材本体１３とは、二色成形によって形成した。
【００２４】
この構造部材１０が組み込まれる燃料電池５０は、図２及び図３に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜５１と、この電解質膜５１の一面に配置されたアノード電極５２（燃料極）と、電解質膜５１の他面に配置されたカソード電極５３（酸化剤極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」という）６０を備えている。そして、このＭＥＡ６０を挟んだ両側に、構造部材１０を樹脂フレームとして各々配設し、構造部材１０の両側にセパレータ２０を配設して単セル７０を構成し、この単セル７０を１層以上積層してモジュール７５を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール７５を積層してモジュール群としている。さらに、このモジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル７６、インシュレータ７７、エンドプレート７８を配置してスタック８０を構成し、スタック８０をセル積層方向に締め付けスタック８０の外側でセル積層方向に延びる締結部材８１（例えば、テンションプレート、スルーボルト等）とボルト８２またはナットで固定したものからなる。
【００２５】
なお、セパレータ２０には、特に図示しないが、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、及び冷却水流路を構成する多数の溝が形成されている。
【００２６】
この構成を備えた燃料電池５０は、特に図示しないが、燃料ガス入口から供給された燃料ガス（水素）が燃料ガス流路を流通し、酸化ガス入口から供給された酸化剤ガス（空気）が酸化ガス流路を流通すると、各単セル７０において以下の電気化学反応が生じる。すなわち、
アノード電極５２側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極５３側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
【００２７】
この時、構造部材１０のＭＥＡ６０と接触している表面及びその裏面には、構造部材１０の機械的強度を向上させるために添加されたグラスファイバ１１が露出していないため、グラスファイバ成分である金属イオン（例えば、Ｃａ、Ｓｉ、Ｂａ、Ｚｎ等）が外部に溶出することがない。したがって、従来、前記金属イオンの溶出に起因して発生していた電圧低下が生じることがない。このため、構造部材１０は、構成要素である樹脂１２が本来備えている優れた導電性、機械的強度、ガスバリア性、耐腐食性、成形性を確保しつつ、グラスファイバ１１によって、さらに機械的強度が向上されると共に、燃料電池５０の発電特性を向上させることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、二色成形によって、構造部材本体１３に保護層１４を配設することで構造部材１０を形成した場合について説明したが、これに限らず、構造部材１０は、例えば、構造部材本体１３を形成した後、構造部材本体１３の両側表面に樹脂を含浸させて、保護層１４を形成してもよい。この場合、保護層１４を構成する樹脂と、構造部材本体１３の構成要素である樹脂１２が、同一の樹脂である場合は、図４に示すように、保護層１４は、構造部材本体１３に連続して一体的に形成される。この場合も、保護層１４には、グラスファイバ１１は存在しない。
【００２９】
また、構造部材１０は、例えば、構造部材本体１３とは別体として形成した保護層１４を、構造部材本体１３の両側表面に取り付けてもよい。
【００３０】
そしてまた、構造部材１０は、燃料電池５０に組み込まれた際の積層方向における中心部から外表面に向けてグラスファイバ１１の含有量が低下するように構成してもよい。この場合、保護層１４には、微量なグラスファイバ１１が含有している場合もあるが、この保護層１４の表面には、グラスファイバ１１が露出しないように、薄い樹脂膜が存在していることになる。
【００３１】
また、本実施の形態では、構造部材本体１３の構成要素である樹脂１２と、保護層１４を構成する樹脂とを同一の樹脂で形成した場合について説明したが、これに限らず、樹脂１２と、保護層１４とは、異なった種類の樹脂で形成してもよい。また、保護層１４には、保護層としての機能を損なわず、且つ構造部材１０としての機能を損なわない範囲で、無機材や有機材等、種々の添加材を添加することができる。そしてまた、構造部材本体１３にも、燃料電池用セ構造部材１０としての機能を損なわない範囲で、無機材や有機材等、種々の添加材を添加することができる。
【００３２】
さらにまた、本実施の形態では、構造部材本体１３の構成要素である樹脂１２として、熱硬化性樹脂を使用した場合について説明したが、これに限らず、樹脂１２の種類は、構造部材１０としての機能を損なわないものであれば、特に限定されるものではない。同様に、保護層１４も保護層としての機能を損なわないものであれば、熱硬化性樹脂に限定されるものではない。
【００３３】
また、構造部材本体１３に対する保護層１４の厚さは、所望により任意に決定することができる。
【００３４】
そしてまた、本実施の形態では、構造部材本体１３のＭＥＡ６０と接触する表面及びその裏面に、保護層１４を形成した場合について説明したが、これに限らず、構造部材本体１３の全体を保護層１４で包囲してもよい。
【００３５】
さらにまた、本実施の形態では、機械的強度付与材として、グラスファイバ１１を使用した場合について説明したが、これに限らず、樹脂１２に機械的強度を付与することが可能であれば、他の材料を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用構造部材の断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池用構造部材が組み込まれてなる燃料電池の概略を示す側面図である。
【図３】図２に示す燃料電池の単セルの一部拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池用構造部材の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池用構造部材、１１…グラスファイバ、１２…樹脂、１３…構造部材本体、１４…保護層、５０…燃料電池、
【図１】
2006338922.tif 000003
【図２】
2006338922.tif 000004
【図３】
2006338922.tif 000005
【図４】
2006338922.tif 000006