(57)【要約】【課題】  第１金属板及び第２金属板により構成される燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供する。【解決手段】  板状の固体高分子電解質１と、この固体高分子電解質１の両側に配置された第１電極板及２び第２電極板３と、これら電極板２，３の更に外側に配置された第１金属板４及び第２金属板５とを備え、これら第１・第２金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａが絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルであって、周縁領域４ａ，５ａをシール性及び絶縁性を有する封止材料１１を用いて封止してある。封止材料は、エポキシ系樹脂であることが好ましい。【選択図】    図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
板状の固体高分子電解質と、この固体高分子電解質の両側に配置された第１電極板及び第２電極板と、これら電極板の更に外側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルであって、
前記周縁領域をガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止してあることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記ガス遮蔽性は、水素ガスに対する遮蔽性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記封止材料は、エポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記封止材料を用いて、前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
第１金属板と第２金属板のうち、一方の金属板の周縁領域が他方の周縁領域よりも突出した形状とし、一方の周縁領域と他方の周縁領域にまたがるように封止材料を塗布してあることを特徴とする請求１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、板状の固体高分子電解質と、この固体高分子電解質の両側に配置された第１電極板及び第２電極板と、これら電極板の更に外側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
かかる燃料電池セルとして、特開２００５−１５０００８号公報に開示されるセル構造が公知である。この燃料電池セルは、板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板により構成され、全体的に薄型構造を実現している。また、第１・第２金属板の周縁領域は、電気的に絶縁された状態でカシメ加工により封止されている。カシメ加工により周縁領域を封止する場合には、第１・第２金属板のうち一方の金属板の周縁領域をほぼ１８０゜内側に折り曲げて、他方の金属板の周縁領域に密着させる加工を行なうことで封止するものである。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかるカシメ封止加工は、加工工程や金型構成が複雑になるという問題がある。そこで、本考案は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため本考案に係る燃料電池セルは、
板状の固体高分子電解質と、この固体高分子電解質の両側に配置された第１電極板及び第２電極板と、これら電極板の更に外側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される燃料電池セルであって、
前記周縁領域をガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止してあることを特徴とするものである。
【０００５】
この構成による燃料電池セルは、第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態で封止される。また、周縁領域を封止するに際して、ガス遮蔽性及び絶縁性を有する封止材料を用いて封止する。かかる封止材料を用いて封止するので、周縁領域をカシメ加工するための金型は不要となり、簡素な工程で周縁領域を封止することができる。封止材料は、ガス遮蔽性及び絶縁性を有していればよく、例えば、適宜の樹脂材料を用いることができる。その結果、燃料電池セルの周縁領域を封止するに際し、封止工程を簡素化できる燃料電池セルを提供することができる。
本考案において、前記ガス遮蔽性は、水素ガスに対する遮蔽性であることが好ましい。これにより、セル内部に注入された燃料ガスである水素ガスが封止部から漏洩することを防止することができる。
【０００６】
本考案に係る前記封止材料は、エポキシ系樹脂であることが好ましい。エポキシ系樹脂を用いることで、所望の封止強度を確保することができる。
【０００７】
本考案において、前記封止材料を用いて、前記絶縁層を形成することが好ましい。絶縁層を封止材料で形成することで、絶縁層を構成するための専用の部材が不要になるので、コストダウンを図ることができる。
【０００８】
第１金属板と第２金属板のうち、一方の金属板の周縁領域が他方の周縁領域よりも突出した形状とし、一方の周縁領域と他方の周縁領域にまたがるように封止材料を塗布してあることが好ましい。
【０００９】
第１・第２金属板の形状を上記のように構成すれば、封止材料を塗布するだけで周縁領域を封止することができる。これにより、封止工程を簡素化することができる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１０】
本考案に係る燃料電池セルの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本考案の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本考案の燃料電池セルの一例を示す縦断面図である。
【００１１】
本考案の燃料電池セルは、図１、図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極板２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。また、カソード側電極板２の更に外側にはカソード側金属板４（第１金属板に相当）が配置され、アノード側電極板３の更に外側にはアノード側金属板５（第２金属板に相当）が配置される。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５の周縁領域５ａとカソード側金属板４の周縁領域４ａは樹脂封止が行われる領域でもある。また、説明の便宜上、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａ以外の領域を中央領域４ｂ，５ｂと称することにする。
【００１２】
固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００１３】
固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００１４】
電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。
【００１５】
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００１６】
一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本考案では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。
【００１７】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極板２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００１８】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００１９】
電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００２０】
カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。
【００２１】
カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口孔４ｃが設けられている。開口孔４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口孔４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。カソード側金属板４の開口孔４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口孔を設けてもよい。
【００２２】
金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。
【００２３】
アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。本実施形態では、注入口５ｃと排出口５ｄとを連続する一本の流路溝９により接続しており、その流路溝９は、金属板５の幅方向に沿って周期的に折り返すジグザグ状に形成されている。流路密度、燃料電池セル積層時の積層密度、屈曲性などを考慮して、種々の形態の流路溝９を採用することができる。
【００２４】
なお、このような金属板５の流路溝９の一部を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
【００２５】
金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。
【００２６】
金属板４への開口孔４ｃの形成、金属板５への注入口５ｃ及び排出口５ｄの形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。
【００２７】
本考案では、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａは、電気的に絶縁した状態で封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料を用いて行うこともできるが、図１，２の実施形態では、固体高分子電解質１の周縁領域１ａを介在させることで行っている。固体高分子電解質１の平面面積は、第１金属板４と第２金属板５の平面面積よりも少し大きくなるように形成される。第１・第２金属板４，５の平面面積は同じである。従って、第１・第２金属板４，５の間に固体高分子電解質１を挟持させたときに、その周縁領域１ａは金属板４，５から突出する形になる。
【００２８】
また、電極板２，３よりも外側の領域にある固体高分子電解質１を周縁領域４ａ，５ａにより挟持した状態となっている。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。また、第１金属板４と第２金属板５の間で固体高分子電解質１を挟持させているので、絶縁層として機能させることができる。
【００２９】
組み立てられた燃料電池セルの周辺領域は、ガス遮蔽性及び絶縁性を有する樹脂１１により封止される。ガス遮蔽性を有することで、セル内部に注入された水素ガスが封止部から漏洩することを防止することができる。樹脂封止は、完全に固体高分子電解質１の周縁領域１ａを覆う形で行なわれる。樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂を使用することができ、機械的な封止強度を確保することができる。封止材料としては、水素ガスを透過せず絶縁性を有するものであれば何でもよい。樹脂封止を形成する方法としては、樹脂を塗布する形で行なってもよいし、金型を用いて樹脂成型を行なって形成してもよい。樹脂成型を行う場合、インジェクションのように大きな圧力を作用させないで金型内に樹脂注入を行なってもよい。これにより、金型構成を簡素化することができる。
【００３０】
＜封止構造の別実施形態＞
次に、燃料電池セルの周縁領域の封止構造の種々の別実施形態を説明する。
【００３１】
図３は、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａの間に、絶縁材料６（絶縁層に相当）を挟持した構成例である。また、固体高分子電解質１の端部を２つの絶縁材料６により挟持する形にもなっている。絶縁材料６を設けることで、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。樹脂１１による封止は、図示するように燃料電池セルの周縁領域全体を覆う形で行なわれる。また、樹脂封止の表面１１ａは、金属板４，５の中央領域４ｂ，５ｂの高さに合わせておくことで、機器に組み込むときのスペース効率がよくなる。
【００３２】
図４は、図２と同様に金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａで固体高分子電解質１の周縁領域１ａを挟持しているが、周縁領域１ａは、金属板４，５から突出しない形である。樹脂封止は他と同様に行なわれる。また、樹脂封止の表面１１ａは、金属板４，５の中央領域４ｂ，５ｂの高さと異ならせてもよいし、見栄えを良くするため同じ高さに合わせておくことが好ましい。
【００３３】
図５は、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａで固体高分子電解質１の端部を挟持すると共に、固体高分子電解質１の更に外側に両面テープ１２（封止材料に相当）を用いて封止している。
【００３４】
図６は、第１金属板４の周縁領域４ａを第２金属板５の周縁領域５ａよりも突出した形状としており、周縁領域４ａと周縁領域５ａにまたがるように封止材料１１を塗布している。この構成によれば、簡素な工程で周縁領域の封止を行なうことができる。
【００３５】
燃料電池を構成する場合、図１，２に示すような燃料電池セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。
【００３６】
燃料電池として使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。例えば、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピンを金属板５に対して取り付けることができる。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピンに対して、パイプを圧入して取り付けることができる。
【００３７】
燃料電池セルを構成する部材である金属板４，５及び固体高分子電解質１は、矩形状に形成されているが、その四隅はＲ形状に形成されている。四隅にＲをつけることで取り扱い易い形状にしている。
【００３８】
＜別実施形態＞
燃料電池セルの構成は本実施形態に示す構造のものに限定されるものではない。例えば、カソード側金属板４は空気を取り込むための開口孔４ｃを多数有する形状をしているが、カソード側金属板４をアノード側金属板５と同様の形状に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本考案の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図
【図２】本考案の燃料電池セルの一例を示す縦断面図
【図３】封止構造の別実施形態を示す図
【図４】封止構造の別実施形態を示す図
【図５】封止構造の別実施形態を示す図
【図６】封止構造の別実施形態を示す図
【符号の説明】
【００４０】
１        固体高分子電解質
１ａ      周縁領域
２        カソード側電極板
３        アノード側電極板
４        カソード側金属板（第１金属板）
４ａ      周縁領域
４ｂ      中央領域
５        アノード側金属板（第２金属板）
５ａ      周縁領域
５ｂ      中央領域
１０      薄膜電極組成体
１１      樹脂
１２      両面テープ
【図１】
0003115434.tif 000003
【図２】
0003115434.tif 000004
【図３】
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【図４】
0003115434.tif 000006
【図５】
0003115434.tif 000007
【図６】
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