(57)【要約】【課題】燃料電池において、カソード側金属板、および、アノード側金属板の小型化を図りつつ、カソード側金属板の周縁部と、アノード側金属板の周縁部とを封止する。【解決手段】まず、膜電極接合体の周囲にガスケットを配置した膜電極接合体ユニット５０と、カソード側金属板６０ｃ、および、アノード側金属板６０ａを製造する（ステップＳ１００，１１０）。そして、膜電極接合体５２のカソード側ガス拡散層３０ｃの表面に、金属多孔体４０ｃを配置するとともに、アノード側ガス拡散層３０ａの表面に、金属多孔体４０ａを配置し、さらに、これらの各表面に、それぞれカソード側金属板６０ｃ、および、アノード側金属板６０ａを当接させる（ステップＳ１２０）。そして、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅと、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅとを、レーザ溶接によって接合し、封止する（ステップＳ１３０）。【選択図】図３
2008181785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口を有し、前記アノードと当接するアノード側金属板と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口を有し、前記カソードと当接するカソード側金属板と、を備え、
前記アノード側金属板の周縁部と、前記カソード側金属板の周縁部とは、溶接によって互いに接合されており、
前記アノード側金属板、または、前記カソード側金属板は、前記アノードと前記カソードとを電気的に絶縁する絶縁構造を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アノード側金属板、または、前記カソード側金属板は、
前記絶縁構造として、
前記アノード、または、前記カソードと当接する第１の金属製部材と、
前記第１の金属製部材の周囲に接合された絶縁性部材と、
前記絶縁性部材の周囲に接合された第２の金属製部材と、
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体の周囲に、前記アノード側金属板、および、前記カソード側金属板とそれぞれ当接し、前記アノードに供給された燃料ガス、および、前記カソードに供給された酸化剤ガスを分離するガスケットを備える、燃料電池。
【請求項４】
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を製造する工程と、
前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口を有し、前記アノードと当接するアノード側金属板を製造する工程と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口を有し、前記カソードと当接するカソード側金属板を製造する工程と、
前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ前記アノード側金属板、および、前記カソード側金属板を当接させる工程と、
前記アノード側金属板の周縁部と前記カソード側金属板の周縁部とを、溶接によって互いに接合する工程と、
を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および、燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータ（例えば、アノード側金属板、および、カソード側金属板）によって挟持することによって構成される。
【０００３】
そして、この燃料電池について、種々の構造が提案されている。例えば、下記特許文献１，２には、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、カソード側電極板の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とするカソード側金属板と、アノード側電極板の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板と、を備え、カソード側金属板の周縁部と、アノード側金属板の周縁部とを、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止した燃料電池が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−９２７８３号公報
【特許文献２】特開２００６−９２８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１，２に記載された技術では、カソード側金属板の周縁部と、アノード側金属板の周縁部とを、「カシメ」によって封止するので、カソード側金属板、および、アノード側金属板には、「カシメ」を行うための領域が必要となり、カソード側金属板、および、アノード側金属板のサイズを、比較的大きくする必要があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、カソード側金属板、および、アノード側金属板の小型化を図りつつ、カソード側金属板の周縁部と、アノード側金属板の周縁部とを封止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。すなわち、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口を有し、前記アノードと当接するアノード側金属板と、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口を有し、前記カソードと当接するカソード側金属板と、を備え、前記アノード側金属板の周縁部と、前記カソード側金属板の周縁部とは、溶接によって互いに接合されており、前記アノード側金属板、または、前記カソード側金属板は、前記アノードと前記カソードとを電気的に絶縁する絶縁構造を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明では、アノード側金属板の周縁部と、カソード側金属板の周縁部とを、溶接によって接合するので、アノード側金属板の周縁部、および、カソード側金属板の周縁部に、「カシメ」を行うための領域を設ける必要がない。したがって、カソード側金属板、および、アノード側金属板の小型化を図りつつ、アノード側金属板の周縁部と、カソード側金属板の周縁部とを封止することができる。なお、溶接としては、例えば、レーザ溶接等が挙げられる。また、本発明では、アノード側金属板、または、カソード側金属板が、絶縁構造を備えるので、アノードとカソードとの電気的な絶縁を確保することができる。また、カソード側金属板の周縁部と、アノード側金属板の周縁部とを、「カシメ」によって封止する場合には、カソード、および、アノードに、機械的なダメージが加わるおそれがあったが、本発明によって、このおそれをなくすことができる。
【０００９】
上記燃料電池において、前記アノード側金属板、または、前記カソード側金属板は、前記絶縁構造として、前記アノード、または、前記カソードと当接する第１の金属製部材と、前記第１の金属製部材の周囲に接合された絶縁性部材と、前記絶縁性部材の周囲に接合された第２の金属製部材と、を備えるようにしてもよい。
【００１０】
本発明では、第１の金属製部材は、膜電極接合体のアノード、または、カソードと当接するが、第２の金属製部材は、アノード、または、カソードと当接しない。そして、第１の金属製部材と第２の金属製部材との間には、絶縁性部材が配置されている。したがって、アノード側金属板と、カソード側金属板とを、溶接によって接合しても、アノードとカソードとを電気的に絶縁することができる。
【００１１】
なお、上記いずれかの燃料電池において、前記膜電極接合体の周囲に、前記アノード側金属板、および、前記カソード側金属板とそれぞれ当接し、前記アノードに供給された燃料ガス、および、前記カソードに供給された酸化剤ガスを分離するガスケットを備えるようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池内における燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを抑制することができる。
【００１２】
本発明は、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。すなわち、本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体の前記アノード、および、前記カソードに、それぞれアノード側金属板、および、カソード側金属板を当接させる工程と、前記アノード側金属板の周縁部と前記カソード側金属板の周縁部とを、溶接によって互いに接合する工程と、を備えることを要旨とする。こうすることによって、先に説明した本発明の燃料電池を製造することができる。なお、本発明の燃料電池の製造方法においても、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池１００の断面構造を示した。
【００１４】
図示するように、燃料電池１００は、電解質膜１０の一方の面に、アノード側触媒層２０ａと、アノード側ガス拡散層３０ａを、この順に接合し、電解質膜１０の他方の面に、カソード側触媒層２０ｃと、カソード側ガス拡散層３０ｃとをこの順に接合してなる膜電極接合体５２を備えている（なお、図１では、図示の都合上、膜電極接合体に符号は付されていない）。本実施例では、電解質膜１０として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜１０として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層３０ａ、および、カソード側ガス拡散層３０ｃとして、導電性、および、ガス拡散性を有するカーボンクロスを用いるものとした。カーボンクロスの代わりに、例えば、カーボンペーパを用いるものとしてもよい。
【００１５】
この膜電極接合体５２の周囲には、ガス不透過性、および、シール性を有するガスケット５４が配置されている（以下、膜電極接合体の周囲にガスケット５４を配置したものを、「膜電極接合体ユニット５０」と呼ぶ。なお、図１では、図示の都合上、膜電極接合体ユニットに符号は付されていない）。そして、アノード側ガス拡散層３０ａの表面には、燃料ガスとしての水素の流路を構成する金属多孔体４０ａが配置されており、カソード側ガス拡散層３０ｃの表面には、酸化剤ガスとしての空気の流路を構成する金属多孔体４０ｃが配置されている。アノード側触媒層２０ａと、アノード側ガス拡散層３０ａと、金属多孔体４０ａとは、本発明におけるアノードに相当する。また、カソード側触媒層２０ｃと、カソード側ガス拡散層３０ｃと、金属多孔体４０ｃとは、本発明におけるカソードに相当する。
【００１６】
そして、膜電極接合体ユニット５０のアノード側には、水素供給口６０ａｉ、および、アノードオフガス排出口６０ａｏを有するアノード側金属板６０ａが配置されている。このアノード側金属板６０ａは、ガスケット５４のアノード側の表面に当接して、金属多孔体４０ａ中を流れる水素、および、アノードオフガスをシールするとともに、金属多孔体４０ａの表面に当接して、アノードとアノード側金属板６０ａとの電気的な導通を確保している。
【００１７】
また、膜電極接合体ユニット５０のカソード側には、空気供給口６０ｃｉ、および、カソードオフガス排出口６０ｃｏを有するカソード側金属板６０ｃが配置されている。このカソード側金属板６０ｃは、ガスケット５４のカソード側の表面に当接して、金属多孔体４０ｃ中を流れる空気、および、カソードオフガスをシールするとともに、金属多孔体４０ｃの表面に当接して、カソードとカソード側金属板６０ｃとの電気的な導通を確保している。なお、後述するように、カソード側金属板６０ｃの周縁部の内側の領域には、絶縁性部材６２が備えられている。
【００１８】
また、本実施例では、後述するように、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅと、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅとは、レーザ溶接によって接合され、封止されている。なお、図示した例では、図示の都合上、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅ、および、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅには、曲げ加工が施されているかのように描かれているが、曲げ加工は、必ずしも必要ではなく、レーザ溶接のために必要な場合に行うようにすればよい。
【００１９】
図２は、燃料電池１００を構成する部品を示す説明図である。図２（ａ）に、膜電極接合体ユニット５０の平面図を示した。また、図２（ｂ）に、カソード側金属板６０ｃの平面図を示した。また、図２（ｃ）に、アノード側金属板６０ａの平面図を示した。
【００２０】
図２（ａ）に示したように、膜電極接合体ユニット５０は、矩形形状を有しており、矩形形状を有する膜電極接合体５２の周囲にガスケット５４を配置したものである。図示するように、本実施例では、膜電極接合体ユニット５０の縦の長さはｈ１であり、横の長さはｗ１である。これらの長さは、任意に設定可能である。なお、図示は省略したが、金属多孔体４０ａ，４０ｃは、膜電極接合体５２とほぼ同じ形状を有している。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示したように、カソード側金属板６０ｃは、矩形平板形状を有しており、矩形形状を有する第１の金属製部材６１と、第１の金属製部材６１の周囲に接合された絶縁性部材６２と、絶縁性部材６２の周囲に接合された第２の金属製部材６３とによって構成されている。絶縁性部材６２としては、例えば、ゴムや、樹脂等を用いることができる。図２（ｂ）中に破線で示した領域は、カソード側金属板６０ｃを膜電極接合体ユニット５０に当接させたときに、膜電極接合体５２が配置される領域に対応する領域を示している。そして、図示するように、第１の金属製部材６１の、膜電極接合体５２の下端部に対応する領域、および、上端部に対応する領域には、複数の貫通孔、すなわち、複数の空気供給口６０ｃｉ、および、複数のカソードオフガス排出口６０ｃｏが、それぞれ形成されている。
【００２２】
なお、第１の金属製部材６１の縦の長さはｈ２であり、横の長さはｗ２である。そして、第１の金属製部材６１の縦の長さｈ２は、ガスケット５４の縦の長さｈ１よりも長く設定されており、また、第１の金属製部材６１の横の長さｗ２は、ガスケット５４の横の長さｗ１よりも長く設定されている。したがって、膜電極接合体５２のカソードは、第２の金属製部材６３とは当接せず、膜電極接合体５２のカソードと、第２の金属製部材６３とは、絶縁性部材６２によって、電気的に絶縁されている。
【００２３】
また、図２（ｃ）に示したように、アノード側金属板６０ａは、カソード側金属板６０ｃと同じサイズの矩形平板形状を有している。そして、図２（ｃ）中に破線で示した領域は、アノード側金属板６０ａを膜電極接合体ユニット５０に当接させたときに、膜電極接合体５２が配置される領域に対応する領域を示している。そして、図示するように、アノード側金属板６０ａの、膜電極接合体５２の上端部に対応する領域、および、下端部に対応する領域には、複数の貫通孔、すなわち、複数の水素供給口６０ａｉ、および、複数のアノードオフガス排出口６０ａｏが、それぞれ形成されている。
【００２４】
Ｂ．燃料電池の製造工程：
図３は、燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。なお、各工程を示す枠内には、燃料電池１００を構成する部品の一部の断面図を併せて示した。
【００２５】
まず、膜電極接合体ユニット５０と、カソード側金属板６０ｃ、および、アノード側金属板６０ａを製造する（ステップＳ１００，１１０）。そして、膜電極接合体５２のカソード側ガス拡散層３０ｃの表面に、金属多孔体４０ｃを配置するとともに、アノード側ガス拡散層３０ａの表面に、金属多孔体４０ａを配置し、さらに、これらの各表面に、それぞれカソード側金属板６０ｃ、および、アノード側金属板６０ａを当接させる（ステップＳ１２０）。そして、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅと、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅとを、レーザ溶接によって接合し、封止する（ステップＳ１３０）。なお、図示した例では、図示の都合上、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅ、および、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅには、曲げ加工が施されているかのように描かれているが、先に説明したように、曲げ加工は、必ずしも必要ではなく、レーザ溶接のために必要な場合に行うようにすればよい。以上の工程によって、燃料電池１００は完成する。
【００２６】
以上説明した本実施例の燃料電池１００によれば、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅとカソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅとを、レーザ溶接によって接合するので、先に従来技術として説明したように、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅ、および、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅに、「カシメ」を行うための領域を設ける必要がない。したがって、カソード側金属板６０ｃ、および、アノード側金属板６０ａの小型化を図りつつ、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅと、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅとを封止することができる。また、本実施例の燃料電池１００では、カソード側金属板６０ｃが、絶縁性部材６２を備えるので、アノードとカソードとの電気的な絶縁を確保することができる。また、カソード側金属板６０ｃの周縁部６０ｅと、アノード側金属板６０ａの周縁部６０ｅとを、「カシメ」によって封止する場合には、カソード、および、アノードに、機械的なダメージが加わるおそれがあったが、本実施例の燃料電池１００によれば、このおそれをなくすことができる。
【００２７】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００２８】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側金属板６０ａと、カソード側金属板６０ｃとを、レーザ溶接によって接合するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側金属板６０ａと、カソード側金属板６０ｃとを、他の溶接方法によって接合するものとしてもよい。
【００２９】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、カソード側金属板６０ｃが絶縁性部材６２を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側金属板６０ｃの代わりに、アノード側金属板６０ａが絶縁性部材６２を備えるようにしてもよい。
【００３０】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、膜電極接合体５２の両面に、金属多孔体４０ａ，４０ｃを配置するものとしたが、本発明は、これに限られず、これらを配置しないものとしてもよい。膜電極接合体５２のアノードとアノード側金属板６０ａとの電気的な導通、および、アノード上における燃料ガスの流路が確保され、膜電極接合体５２のカソードとカソード側金属板６０ｃとの電気的な導通、および、カソード上における酸化剤ガスの流路が確保されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００を構成する部品を示す説明図である。
【図３】燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００…燃料電池
１０…電解質膜
２０ａ…アノード側触媒層
２０ｃ…カソード側触媒層
３０ａ…アノード側ガス拡散層
３０ｃ…カソード側ガス拡散層
４０ａ，４０ｃ…金属多孔体
５０…膜電極接合体ユニット
５２…膜電極接合体
５４…フレーム部材
６０ａ…アノード側金属板
６０ｃ…カソード側金属板
６０ｅ…周縁部
６０ａｉ…水素供給口
６０ｃｉ…空気供給口
６０ａｏ…アノードオフガス排出口
６０ｃｏ…カソードオフガス排出口
６１…第１の金属製部材
６２…絶縁性部材
６３…第２の金属製部材
【図１】
2008181785.tif 000003
【図２】
2008181785.tif 000004
【図３】
2008181785.tif 000005