(57)【要約】【課題】簡単なシール作業で、長期的に反応ガスマニホルドのシール圧力が維持できて高いシール性が得られ、反応ガス溝の閉塞やセル破損が無く信頼性の高い燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、燃料極及び酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセル１の積層体を構成する。流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルド６〜９を設ける。積層体における反応ガスマニホルド６〜９との間のシール部を、機械加工により平滑化処理する。【選択図】図１
2008010279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上含まれた積層体を有する燃料電池において、
前記流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドが複数設けられ、
前記積層体には、少なくとも一つの反応ガスマニホルドが取り付けられる端面に、機械加工により平滑化処理が施されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上含まれた積層体を有する燃料電池において、
前記流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドが複数設けられ、
少なくとも一つの反応ガスマニホルドは、硬化液状シール材及び固体弾性体シール材を介して、前記積層体に取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記硬化液状シール材は、常温で硬化するシリコン系シーラント、ウレタン系シーラント、ＥＰＤＭ系シーラントのいずれか、或いは常温下で紫外線照射により硬化するアクリル樹脂系のシーラントであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記固体弾性体シール材は、シリコン系ゴム、ＥＰＤＭ、フッ素ゴムのいずれか、或いは閉気孔を有するシリコン系、ＥＰＤＭ系、フッ素ゴム系のスポンジのいずれかであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極が配置され、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を有する流路板を備えたセルを構成し、前記セルを少なくとも１枚以上含めて積層体を構成する燃料電池の製造方法において、
前記流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドを複数配設し、
少なくとも一つの反応ガスマニホルドが取り付けられる前記積層体の端面に、機械加工により平滑化処理を施すことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極が配置され、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を有する流路板を備えたセルを構成し、前記セルを少なくとも１枚以上含めて積層体を構成する燃料電池の製造方法において、
前記流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドを複数配設し、
少なくとも一つの反応ガスマニホルドを、硬化液状シール材及び固体弾性体シール材を介して、前記積層体に取り付ける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、セル積層体のガス流路に反応ガスを流通させるための反応ガスマニホルドを備えた燃料電池に係り、特に、反応ガスマニホルドと積層体とのシール部に改良を施した燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。
【０００３】
このような燃料電池のうち、固体高分子膜を用いたものの一例を、図３及び図４を参照して説明する。すなわち、燃料電池本体は、図３に示すように、複数のセル１を積層した積層体を有しており、その積層体の両端に、集電板２と締付板３を配置し、スタッド４及びナットと皿バネによって締め付けることにより構成されている。各セル１は、固体高分子膜の両端に、触媒を塗布した燃料極及び酸化剤極を配設し、さらにその両端に、燃料極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板とを設けることによって構成されている。
【０００４】
そして、図４の断面図に示すように、セル１を積層した積層体の周囲には、燃料極入口マニホルド６、燃料極出口マニホルド７、酸化剤極入口マニホルド８及び酸化剤極出口マニホルド９が配置されている。燃料ガスは、燃料極入口マニホルド６に入り、燃料極流路板５の燃料極流路１０を通り、燃料極出口マニホルド７から燃料電池外へ排出される。また、酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホルド８に入り、図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホルド９から燃料電池外へ排出される。
【０００５】
ところで、これらの外付け形の燃料極入口・出口及び酸化剤極入口・出口マニホルド（以下、反応ガスマニホルドとする）６〜９は、一般に、セル１の積層体の積層面１１に取り付けられている。その目的は、反応ガスのセル１への供給と、セル１からの排出ガスの受入、所定の次プロセスへの送り出し等を行うことにある。また、安全確保及び電池効率低下防止の目的から、電池本体外部への反応ガスの漏洩を防止する機能も有している。
【０００６】
特に、図４に示すように、電池本体外部への反応ガス漏洩防止のため、反応ガスマニホルド６〜９のシール端面１２は、液状シール材１３を介して、積層体の積層面１１に取りつけられている。そして、これらの反応ガスマニホルド６〜９は、反応ガスの漏洩防止、すなわち反応ガスシールが確実に行えるように、液状シール材１３を、所定以上の力で押付ける構造となっている。
【０００７】
また、セル１の積層体の積層面１１は、複数の単位セル１の公差及び積層公差から、平滑面は得られず、反応ガスマニホルド６〜９が当たるシール部１５（図３参照）に、凹凸が生じているのが一般的である。これに対処するため、従来から、液状シール材１３を、積層面１１のシール部１５の凹凸以上の圧膜で介在させることにより平滑化し、反応ガスマニホルド６〜９をその上に取り付け密着、固定することにより、シール機能を確実にし、反応ガスの外部への漏洩を防止する方式が提案されていた（特許文献１参照）。
【０００８】
実際には、以下の方式による反応ガスマニホルド６〜９の取り付けが行われていた。すなわち、積層面１１におけるシール部１５の凹凸部分に、粘度の高い液状シール材１３を充填する。そして、液状シール材１３が硬化・弾性発現後に、その上に、反応ガスマニホルド６〜９を固定・密着し、締付加重を付与することにより取り付ける。
【特許文献１】特開平７−２６３０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のような従来技術のシール方式では、次のような問題があった。
（１）充填作業の手間
セル１を構成する部品の小さな隙間に、確実に液状シール材１３を充填するためには、細心の注意を払う必要があり、多大な時間を要していた。もし、不完全充填によるリークパスが残存していた場合には、反応ガスマニホルド６〜９の内部から外部への反応ガスの漏洩が発生する可能性がある。
【００１０】
（２）シール材のはみ出し
液状シール材１３の付与量も、セル１の積層面１１の凹凸に比例して増大する。この付与量の増大により、液状シール材１３が、本来付与すべき箇所であるシール部１５からはみ出した場合には、セル１の直近の反応ガスの導入溝が閉塞される可能性がある。かかる閉塞が発生すると、当該セル１の当該溝に対する反応ガスの供給・排出が阻害され、当該セル１の特性低下の原因となる。
【００１１】
（３）セルの破損
積層面１１の凹凸が大きい場合には、液状シール材１３が充分充填されたとしても、反応ガスマニホルド６〜９の締付加重の集中により、反応ガスマニホルド６〜９のシール端面１２によって、最も大きい凸部のセル１が破損する可能性がある。
【００１２】
（４）シール材の劣化
運転時間の経過とともに、液状シール材１３自体の塑性変形（クリープ）により、シール圧が低下し、結果的にシール機能が低下する可能性がある。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡単なシール作業で、長期的に反応ガスマニホルドのシール圧力が維持できて高いシール性が得られ、反応ガス溝の閉塞やセル破損が無く信頼性の高い燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上含まれた積層体を有する燃料電池において、前記流路に対して、反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドが複数設けられ、前記積層体には、少なくとも一つの反応ガスマニホルドが取り付けられる端面に、機械加工により平滑化処理が施されていることを特徴とする。
【００１５】
以上のような本発明では、セル積層体における反応ガスマニホルドが取り付けられる部分の凹凸を、あらかじめ機械加工によって平滑化するので、シール材の量を少量に抑えても、シール機能を確保できる。従って、シール材の充填作業の手間がかからず、シール材のはみ出しも生じない。また、凹凸が少ないために締付加重の集中もなく、セルの破損が防止される。さらに、シール材が少量で済むため、劣化の影響が少なく、長期的にシール圧力が維持できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のような本発明によれば、簡単なシール作業で、長期的に反応ガスマニホルドのシール圧力が維持できて高いシール性が得られ、反応ガス溝の閉塞やセル破損が無く信頼性の高い燃料電池及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を、図面を参照して、具体的に説明する。なお、図３及び図４に示した従来技術と同様の構成及び作用については、説明を省略する。
【００１８】
［実施形態の構成］
本発明の実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。なお、本実施形態は、基本的な構成は図３及び図４に示した従来技術と同様であるため、同様の構成については説明を簡略化する。
【００１９】
すなわち、本実施形態は、図１及び図２に示すように、セル１の積層体から成る固体高分子形の燃料電池本体を有している。この積層体の積層面１１における反応ガスマニホルド６〜９が当たるシール部１５に対しては、例えば、ペンシル型の小型グラインダを用いて、凹凸を平滑化する加工処理が施されている。この平滑化は、凸部分を研削することにより行われる。
【００２０】
次に、液状シール材１３として、例えば、常温硬化型のシリコンシーラントを用い、研削面の微小凹凸面に、薄く充填・塗布を行い、常温で放置することにより硬化させる。硬化完了後、固体弾性シール材１４がシール端部に取り付けられている反応ガスマニホルド６〜９を配設する。固体弾性シール材１４としては、例えば、厚み５ｍｍのシリコンゴム（硬度３０）を用いる。
【００２１】
反応ガスマニホルド６〜９は、積層体を締め付けている両締付板３に対して、締付ボルト穴を介したボルト締結により固定される。この固定力が、シール端面１２に伝わり、液状シール材１３を加圧・圧縮することにより、シール機能が発揮される。
【００２２】
［実施形態の作用］
以上のような本実施形態において、研削平滑化処理前後の積層面１１におけるシール部１５の凹凸の測定結果を、表１に示す。この表１から、平滑化が達成されていることがわかる。
【表１】
2008010279.tif 000003
【００２３】
次に、平滑化処理による電気的短絡の有無を、平滑化処理前後の交流抵抗（１ｋＨｚ）を測定することにより確認した。その結果を、表２に示す。この表２から、交流抵抗の変化は無く、平滑化処理による電気的短絡は生じていないことが確認できる。
【表２】
2008010279.tif 000004
【００２４】
さらに、反応ガスマニホルド６〜９を取り付けた後のシール機能を評価した。これは、空気系及び燃料系を連通させ、同時に空気系及び燃料系に０．１５ｋＰａの内圧を与えた後に封じ切りを行い、内圧の減少速度を測定したものである。その結果を、表３に示す。表３によれば、３０分後でも内圧の減少はなく、充分なシール機能を有していることが確認できる。
【表３】
2008010279.tif 000005
【００２５】
［実施形態の効果］
以上のことから明らかなように、本実施形態によれば、積層面１１において、シール端面１２の押圧が加わるシール部１５の凹凸を、あらかじめ機械加工（研削）により平滑化するので、液状シール材１３の付与量は、少量であっても高いシール性を実現でき、シール作業は容易となる。また、少量の液状シール材１３で済むため、液状シール材１３のはみ出しや、これによる反応ガス流の阻害が防止される。
【００２６】
また、シール部１５の凹凸がないため、液状シール材１３が少量であっても、反応ガスマニホルド６〜９の締付加重が分散され、セル１の破損等が防止される。さらに、液状シール材１３は少量なため、塑性変形による影響は少なく、シール圧の低下によるシール機能の低下を防止できる。
【００２７】
［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、各部材の寸法、数量、材質、形状等は自由に変更可能である。また、上記の実施形態では、シール部の凹凸を平滑化する手段として、ペンシル型の小型グラインダを用いた。しかし、積層面に損傷を与えない手段であれば、このような手段には限定されない。
【００２８】
また、上記の実施形態では、平滑化処理後、残存微小凹凸の充填用の液状シール材として、常温硬化タイプのシリコン樹脂シーラントを用いた。しかし、残存する微小凹凸の充填が可能であり、且つ電池本体に悪影響を及ぼさないものであればこれに限定されるものではない。例えば、常温で硬化するウレタン系シーラント、ＥＰＤＭ（Ethylene Propylene Diene Monomer）系シーラント等であっても、常温下で紫外線照射により硬化するアクリル樹脂系のシーラントであっても、本発明を実現できる。
【００２９】
また、上記の実施形態では、固体弾性シール材として、シリコンゴム（硬度３０）を用いた。しかし、液状シール材と密着性が確保でき、且つ電池運転条件下で電池に悪影響を与えない固体弾性体であれば、硬度も含めてこれに限定されるものではない。例えば、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム等であっても、本発明を実現できる。また、閉気孔のシリコン系、ＥＰＤＭ系、フッ素ゴム系のスポンジであっても、本発明を実現できる。
【００３０】
さらに、上記の実施形態では、反応ガスマニホルドの締付部は、いずれもシール端面の側面に設置しているが、その締付力をシール端面に充分に伝えることができる構造であれば、上記の構造には限定されない。なお、本発明は、固体高分子形燃料電池には限定されず、同様のマニホルドを必要とする燃料電池に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池本体の一例を示す垂直断面図。
【図２】図１の実施形態における反応ガスマニホルドを示す垂直断面図。
【図３】一般的な燃料電池本体の一例を示す垂直断面図。
【図４】図３の燃料電池を構成する反応マニホルドを示す垂直断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１…セル
２…集電板
３…締付板
４…スタッド
５…燃料極流路板
６〜９…反応ガスマニホルド
１０…燃料極流路
１１…積層面
１２…シール端面
１３…液状シール材
１４…固体弾性シール材
１５…シール部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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