(57)【要約】【課題】燃料電池セルの形成工程におけるセパレータの変形を防止する。【解決手段】電解質１１の両側にアノード１２及びカソード１３がそれぞれ配置されたＭＥＡ１０と、該ＭＥＡの両側にそれぞれ配置されたセパレータ１４及び１５と、セパレータ１４の外周部に取り付けられており、セパレータ１４及び１５の間に配置されたリブ部２ａを有する支持部材２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、
前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータと、
前記第１のセパレータの外周部に取り付けられており、前記第１及び第２のセパレータの間に配置されたリブを有する支持部材と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記支持部材は、前記第１のセパレータを挟んで前記リブの反対側に突出するガスケットをさらに有する、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記イオン交換体は、少なくとも該イオン交換体の周囲に配置された接着剤により、前記第１及び第２のセパレータに固着されている、請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
各々が、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを含み、積層して配置される複数のセルと、
各セル内の第１のセパレータの外周部に取り付けられており、各セル内の第１及び第２のセパレータの間に配置されたリブを有する支持部材と、
互いに隣接するセルの一方のセル内の第１のセパレータと、他方のセル内の第２のセパレータとの境界をシールするガスケットと、
を備える燃料電池スタック。
【請求項５】
前記ガスケットが、前記支持部材と一体的に形成されている、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、その両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを含む燃料電池の製造方法であって、
第１及び第２のセパレータの間に配置されるリブを有する支持部材を、前記第１のセパレータの外周部に取り付ける工程（ａ）と、
前記第１及び第２のセパレータの間に、イオン交換体及び接着剤を配置する工程（ｂ）と、
前記第１及び第２のセパレータを２つの平板の治具の間に配置し、前記第１及び第２のセパレータの各々が前記支持部材の前記リブから反力を受ける状態で、前記第１及び第２のセパレータに面圧を印加することにより、前記イオン交換体と前記第１及び第２のセパレータとを固着する工程（ｃ）と、
を備え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、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池に関し、特に、セパレータ間のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセル（単セル）を積層して構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）とを含んでいる。また、セパレータは、燃料ガス及び酸化ガスに対する透過性が小さく、且つ、導電性を有する材料によって形成されており、その両面には、燃料ガス又は酸化ガスをＭＥＡに供給するためのガス流路、及び、冷却水を流通させるための流路がそれぞれ形成されている。
【０００３】
また、スタック構造を有する燃料電池は、単セルを接着剤で保持したり、ガスケットを挟持させてシールするといった方法によりセル積層体を形成し、さらに、セルの積層方向の両端にターミナル（電極板）や、インシュレータや、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）とボルトにて固定することにより作製される。
【特許文献１】特開２００６−３２０４１号公報
【特許文献２】特開２００５−７８８２６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７８９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、接着剤を用いて単セルを形成する際には、通常、図４に示すように、平板の治具９０によって２つのセパレータ９１及び９２並びにＭＥＡ９３を挟み込み、接着剤９４を配置して面圧を印加することにより両者を接着する。しかしながら、セパレータ９１及び９２の内、ＭＥＡ９３に接していない端部は、治具９０により面圧を印加されてもＭＥＡ９３から反力を受けない。そのため、セパレータ９１及び９２の端部は、治具９０に沿った平面形状を維持することができずに、内側に反ってしまう。すると、複数のセルを積層した場合に、隣接するセル間において端部が開いた状態となり、セル間に挟持させるガスケットの圧縮しろが不足してしまうことがある。その結果、セル積層体をボルト等により締め付けたとしても、隣接するセパレータ間におけるシール性を維持できなくなってしまう。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、セパレータの形状を工夫することにより、セパレータとＭＥＡとを接着する際におけるセパレータの反りを防止している。また、特許文献２には、セパレータ及びＭＥＡを含むセルを形成した後で熱処理を施すことにより、セパレータの密着性を高めることが開示されている。さらに、特許文献３には、セパレータの外周にシール部材を配置することが開示されている。しかしながら、燃料電池を形成する工程に熱処理を組み込んだり、シール付セパレータの作製工程を別途設けると、燃料電池の製造工程全体が煩雑になってしまう。
【０００６】
そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、燃料電池セルの形成工程におけるセパレータの変形を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の１つの観点に係る燃料電池は、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータと、前記第１のセパレータの外周部に取り付けられており、前記第１及び第２のセパレータの間に配置されたリブを有する支持部材とを備える。
【０００８】
かかる構成とすることにより、イオン交換体を挟む２つのセパレータの全体に面圧を印加すると、各セパレータの端部は支持部材のリブから反力を受ける。それにより、イオン交換体とセパレータとを密着させつつ、セパレータの端部については、セルの内側に向かって変形するのを抑制することができる。
【０００９】
ここで、前記支持部材は、前記第１のセパレータを挟んで前記リブの反対側に突出するガスケットをさらに有しても良い。支持部材とガスケットとを一体化させることにより、支持部材を取り付ける領域の確保が容易になると共に、使用される部品数を減らしてセルの形成工程を簡単にすることができる。
【００１０】
また、前記イオン交換体は、少なくとも該イオン交換体の周囲に配置された接着剤により、前記第１及び第２のセパレータに固着されていても良い。それにより、イオン交換体及びその界面を接着剤及びリブにより２重にシールすることができる。
【００１１】
本発明の１つの観点に係る燃料電池スタックは、各々が、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、前記イオン交換体の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを含み、積層して配置される複数のセルと、各セル内の第１のセパレータの外周部に取り付けられており、各セル内の第１及び第２のセパレータの間に配置されたリブを有する支持部材と、互いに隣接するセルの一方のセル内の第１のセパレータと他方のセル内の第２のセパレータとの境界をシールするガスケットとを備える。
【００１２】
かかる構成とすることにより、セパレータの端部がセルの内側に向かって反るのを抑制することができるので、隣接するセル間に配置されるガスケットの圧縮しろを確保することが可能になる。
【００１３】
ここで、前記ガスケットを前記支持部材と一体的に形成することにより、支持部材の取り付け領域の確保が容易になると共に、部品数を減らして、セルの形成工程を容易にすることができる。
【００１４】
本発明の１つの観点に係る燃料電池の製造方法は、電解質の両側にアノード及びカソードがそれぞれ配置されたイオン交換体と、その両側にそれぞれ配置された第１及び第２のセパレータとを含む燃料電池の製造方法であって、第１及び第２のセパレータの間に配置されるリブを有する支持部材を、前記第１のセパレータの外周部に取り付ける工程（ａ）と、前記第１及び第２のセパレータの間に、イオン交換体及び接着剤を配置する工程（ｂ）と、前記第１及び第２のセパレータを２つの平板の治具の間に配置し、前記第１及び第２のセパレータの各々が前記リブから反力を受ける状態で、前記第１及び第２のセパレータに面圧を印加することにより、前記イオン交換体と前記第１及び第２のセパレータとを固着する工程（ｃ）とを備える。
【００１５】
このように、セパレータの端部にリブによる反力を与えつつ、セパレータ全体に面圧を印加することにより、セパレータ端部の変形を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セパレータの端部がセルの内側に向かって変形するのを抑制することにより、セルを積層した際に、隣接するセルの間に配置されるガスケットの圧縮しろを確保することが可能になる。そのため、隣接するセルの境界におけるシール性を維持することが可能になる。また、各セルを接着剤及びリブによる２重シール構造とすることにより、セル内におけるシール性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。この燃料電池は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）１０並びに２つのセパレータ１４及び１５を含むセル１と、支持部材２とを含んでいる。ＭＥＡ１０とセパレータ１４及び１５とは、接着剤３によって接合されている。
【００１８】
ＭＥＡ１０は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１１と、電解質膜１１を両側から挟むアノード１２及びカソード１３とを含むイオン交換体である。アノード１２及びカソード１３は、白金（Ｐｔ）等の触媒が結着された、例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）によって形成されている。
このようなセル１において、アノード１２に供給される燃料ガス（例えば水素ガス）とカソード１３に供給される酸化ガス（例えば空気）との電気化学反応により、電気が発生する。
【００１９】
セパレータ１４及び１５は、カーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）のように、ガス不透過性又はガス難透過性を有する導電性材料によって構成されている。また、セパレータ１４には、アノード１２に供給するための燃料ガスを流通させるガス流路１４ａと、セル１を冷却するための冷却水を流通させる流路１４ｂとが形成されている。一方、セパレータ１５には、カソード１３に供給するための酸化ガスを流通させるガス流路１５ａと、冷却水の流路１５ｂとが形成されている。
【００２０】
支持部材２は、セル１の内側（ＭＥＡ１０側）に向かって突出したリブ部２ａと、その反対側に突出したガスケット部２ｂと、両者を接続する接続部２ｃとを含んでおり、セル１の一方のセパレータ（図１においてはセパレータ１４）の外周部に取り付けられている。また、支持部材２は、例えばシリコーンゴムやＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）のように、比較的高い弾性又は粘着性を有する材料によって形成されている。なお、リブとは、一般に、変形防止のために取り付けられる突起物のことを言う。
【００２１】
リブ部２ａは、少なくともＭＥＡ１の厚さ（セパレータ１４及び１５の間隔）に相当する高さを有しており、セル１を形成する際に、セパレータ１４及び１５の変形を抑制するために設けられている。また、セル１の形成後には、ガス流路１４ａ及び１４ｂのガス漏れを防止するシール部材として作用する。
【００２２】
接着剤３は、ＭＥＡ１０とセパレータ１４及び１５を固着すると共に、セル１の形成後には、ガス流路１４ａ及び１５ａからのガス漏れを防止するシール部材として作用する。
【００２３】
図２は、図１に示すセルを形成する工程を説明するための模式図である。
セル１を形成する際には、まず、支持部材２が取り付けられたセパレータ１４とセパレータ１５との間にＭＥＡ１及び接着剤３を配置する。そして、セパレータ１４及び１５を平板の治具２０によって挟み、そこに面圧を印加することにより、セパレータ１４及び１５とＭＥＡ１とを密着した状態で接合する。その際に、セパレータ１４及び１５の内、リブ部２ａと接触している領域は、印加される面圧に相当する反力をリブ部２ａから受けて、治具２０にそれぞれ押し付けられる。それにより、セパレータ１４及び１５の端部の変形が抑制される。なお、図２には、支持部材２のガスケット部２ｂがセパレータ１４及び治具２０によって圧縮された状態が示されている。
【００２４】
再び図１を参照すると、支持部材２のガスケット部２ｂは、セル１を積層した際に、隣接するセルとの間においてシール性を保つために設けられている。
ここで図３を参照すると、複数のセル１を、図示しないボルトやテンションプレート等によって締結することにより、セル積層体が固定される。その際には、隣接するセル１間のセパレータ１５とセパレータ１４との表面が互いにほぼ接触する程度まで、ガスケット部２ｂ（図１参照）を圧縮する。それにより、各セパレータに設けられた流路１４ｂ及び１５ｂが合体して管状の流路が形成されると共に、圧縮されたガスケット部２ｂにより、流路１４ｂ及び１５ｂがシールされる。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、セパレータ１４及び１５の端部にリブ部２ａから反力がかかる状態で、セパレータ全体に面圧を印加するので、端部をあまり変形させることなくセル１を形成することができる。それにより、セル１の外側の面における平面形状を維持できるので、複数のセル１を積層した際に、隣接するセル間の端部における隙間を低減することができる。従って、ガスケット部２ｂの圧縮しろを十分に確保することができるので、隣接するセルの境界におけるシール性を維持することが可能になる。また、各セル１内においては、接着剤３とリブ部２ａとにより２重シール構造を形成できるので、ＭＥＡ１０やガス流路１４ａ及び１５ａに対するシール性を高めることが可能になる。
【００２６】
また、リブ部２ａ及びガスケット部２ｂを有する支持部材２は、シンプルな形状を有しているので、支持部材を形成するための型を容易に作製することができ、出来上がった支持部材２をセパレータ１４に簡単に取り付けることもできる。さらに、リブ部２ａとガスケット部２ｂとを一体的に形成することにより、リブ部２ａの取り付け領域の確保が容易になると共に、ガスケット部２ｂもセパレータ１４の外周部から取り付ける構造となるので、セパレータ１４に対する位置ずれを低減することが可能になる。
【００２７】
ここで、支持部材２を形成する材料は、リブ部２ａとガスケット部２ｂとで同じ材料を用いても良いし、部分ごとに変更しても良い。例えば、リブ部２ａについては、セル１を形成する際に十分な反力を得るために、例えば、硬さＨSが約６０以上の、比較的ヤング率が大きいゴム材料を用い、ガスケット部２ｂについては、例えば、硬さＨSが約４５以下の、ある程度圧縮し易い材料を用いても良い。
【００２８】
また、リブ部２ａの高さは、なるべく、セル１に対して面圧を印加する前の状態でＭＥＡ１の厚さ程度、或いは、材料に応じてそれ以上とすることが望ましいが、ＭＥＡ１の厚さよりも若干短くすることは可能である。即ち、セパレータ１４及び１５がセル１の内側に反ることによって生じる変位分が、ガスケット部２ｂの圧縮しろで吸収できる範囲内であれば、隣接するセルの境界におけるシール性を維持することは可能である。
【００２９】
以上説明した本発明において、イオン交換体は、上述したような膜状の固体高分子電化質に電極を形成したＭＥＡに限定されることなく、他の形状や他の状態であっても良い。また、イオン交換体は、少なくとも高分子電解質を備えていれば、高分子電解質だけで構成されていてもよいし、他の構成部品を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示すセルを形成する工程を説明するための図である。
【図３】図１に示すセルを積層したセル積層体を示す断面図である。
【図４】従来の方法によりセルを形成する工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…セル、２…支持部材、２ａ…リブ部、２ｂ…ガスケット部、３…接着剤、１０…ＭＥＡ、１１…電解質膜、１２…アノード、１３…カソード、１４、１５…セパレータ、２０…治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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