(57)【要約】【課題】  コスト低減、コンパクト化、機械的強度の向上および構造の簡素化を達成した燃料電池を提供する。【解決手段】  固体高分子電解質膜を挟んだ一対の触媒反応層を有する電極、電極の一方に水素を含有する燃料ガス混合物を供給分配する手段、および電極の他方の面に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段を具備する単位電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータをガス流通溝を有する金属板で構成し、かつガス流通溝と燃料ガスを供給分配する手段とをガス気密性非金属材料で接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んだ一対の触媒反応層を有する電極、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガス混合物を供給分配する手段、および前記電極の他方の面に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段を具備した単位電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した固体高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータがガス流通溝を有する金属板よりなり、かつ前記ガス流通溝と前記燃料ガスを供給分配する手段とをガス気密性非金属材料により接続した固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流通溝が、互いに平行な複数の直線形状の溝からなる請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記金属板の一方の面に形成したガス流通溝が、前記金属板の他方の面でガス流通溝の凹部を形成している請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータが複数枚の金属板よりなり、前記金属板の少なくとも１枚の全面にガス流通溝を有する請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記ガス気密性非金属材料を前記金属板に対して所定の圧力以上で押圧したとき、前記金属板と前記ガス気密性非金属材料の接触面が前記燃料ガスに対してガス気密性を有する請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される常温作動型の燃料電池、特に固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱を同時に発生させるものである。
この種の固体高分子型燃料電池の一例を図２に示す。
水素イオンを選択的に輸送する固体高分子電解質膜３の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２が密着して配されている。さらに触媒反応層２の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１が密着して配されている。この拡散層１と触媒反応層２により電極２３が構成される。
【０００３】
電極２３の外側には、これらの電極２３および電解質膜３の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２２を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ２２同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板４が配されている。セパレータ板４の電極２３と接触する部分には、電極に反応ガスを供給しかつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路５が形成されている。ガス流路５は、セパレータ板４と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐した配管の先端を直接セパレータ状の溝につなぐ配管治具が必要となる。この治具をマニホールドといい、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぐタイプを外部マニホールドをいう。
一方、構造をより簡単にした内部マニホールドという形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで到達させ、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。
【０００５】
２セル毎に配されるセパレータ板４の他方の面には、電池温度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却流路２４が設けられている。冷却水を循環させ、反応により発生した熱エネルギーを温水などの形で利用する。
また、水素や空気が電池外へリークしたり互いに混合したりしないように、さらには冷却水が電池外へリークしないように、電極２３の周囲には電解質膜３を挟んでシール材１７やＯ−リング１８が配される。なお、このシール材１７やガスケット１９は、電極２３および電解質膜３と一体化してあらかじめ組み立てられる場合もある。
【０００６】
また、別のシール方法として、図３に示すように、電極と同程度の厚さを有し、樹脂や金属板からなるガスケット１９を電極の周りに配して、ガスケット１９とセパレータ板４との隙間をグリースや接着剤などのシール材１７でシールした構造もある。
さらに、近年では、電解質膜３と同じ大きさの電極２３を用いたＭＥＡ２２を用い、図４に示すように、ガスシールが必要な部分にあらかじめシール効果を有する樹脂２１をしみこませて固化させる方法も提案されている。すなわち、樹脂２１の含浸によりセパレータ板４との間のガスシール性を確保する方法が考案されている。
【０００７】
多くの燃料電池は、前述のように、単位電池を数多く重ねた積層構造を採っている。燃料電池運転時には電力とともに発生する熱を電池外に排出するために、積層電池では単位電池１〜３セル毎に冷却板が配されている。冷却板としては薄い金属板で囲まれた空間の内部に冷却水などの熱媒体が貫流するような構造が一般的である。また、図２〜４に示すように、単位電池を構成するセパレータ板４の背面、すなわち冷却水を流したい面に冷却流路２４を形成し、セパレータ板４自体を冷却板として機能させる方法もある。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためにＯ−リングやガスケットも必要となるが、このシールではＯ−リングを完全につぶすなどして冷却板の上下間で十分な導電性を確保する必要がある。
【０００８】
つぎに、前述のマニホールドについては、各単位電池へのガス供給孔、ガス排出孔、および冷却水の供給排出孔を、積層電池内部に確保した内部マニホールド型が一般的である。ここで、内部マニホールド型の固体高分子型燃料電池の一例として、図５に、その一部を切り欠いた斜視図を示す。
図２に示す構造と同様に、拡散層１、触媒反応層２、電解質膜３およびセパレータ板４が積層され、ガス流路５が形成されている。そして、電池にガスを供給または排気するガス用マニホールド８、電池を冷却するための水を電池に供給排出する冷却水用マニホールド８’が形成されている。
【０００９】
しかし、このような内部マニホールド型では、改質ガスを用いて電池運転する場合、各電池の燃料ガス流路の下流域でＣＯ濃度が上昇する結果、電極が被毒して温度が低下し、その温度低下が電極の被毒を一層促進させることになる。
このような電池性能の低下を抑制するため、マニホールドから各単位電池へのガスの供給排出部の間口をできるだけ広く取れる構造として外部マニホールド型も見直されている。
【００１０】
内部マニホールド型の燃料電池の場合、電池全体に恒常的な締め付け圧を加えているため、一般的にガスシールに対する信頼性は高い。一方、外部マニホールド型の燃料電池の場合、マニホールドのフランジ面に接する積層電池の側面が、ＭＥＡやセパレータなどの薄板の積層体であるため、平滑なシール面が得難い。すなわち、一般的に、内部マニホールド方式に対してガスシールに対する信頼性が低い。
【００１１】
しかし、内部マニホールド方式の場合、電池の積層数や電力出力が大きくなってくると、この内部マニホールド孔を通って大量の流体を供給排出しなければならず、マニホールド部での圧損が大きくなる。したがって、積層数の小さい燃料電池では、電池全体のコンパクト性を考慮して、孔径の小さいマニホールド孔にし、逆に積層数の大きい燃料電池では圧損を抑えるために孔径の大きなマニホールド孔にする必要がある。そのため、内部マニホールド方式では、セパレータやＭＥＡの設計において、常に積層数を考慮しなければならない。
【００１２】
いずれにしても、冷却部を含む多数の単位電池を一方向に積み重ね、その両端に２つの端板を配し、その２つの端板の間を締結ロッドによって固定することが必要である。締め付け方式としては単位電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましく、機械的強度の観点から端板や締結ロッドには通常ステンレス鋼などの金属材料が用いられる。これらの端板や締結ロッドと積層電池とは、絶縁板などによって電気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造となっている。締結ロッドについても、セパレータ板に形成された貫通孔の中を通したり、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げたりした改良された方式も提案されている。
【００１３】
さらに、図２〜４に示すいずれのシール方法でも、シール性を維持するためや、電極とセパレータ間の接触抵抗を小さく保つためには、恒常的な締め付け圧が必要で、締結ロッドと端板の間にスクリューバネや皿バネを挿入するなどの構成を採っている。また、この締め付け圧力によって、セパレータ、電極、電解質膜などの電池を構成する部材間の電気的接触を確保している。
【００１４】
一方、このような固体高分子型の燃料電池におけるセパレータは、高い導電性、燃料ガスに対する高いガス気密性、および水素／酸素を酸化還元する際の反応に対する高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、従来のセパレータは通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構成し、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製していた。
【００１５】
しかし、近年、従来より使用されたカーボン材料に代えて、ステンレス鋼などの金属板が用いられている。図６および図７は、従来からの金属製のセパレータ板４の概略平面図である。図６に示すように、セパレータ板４の外周部や、内部マニホールドの孔の外周部に、樹脂などでリブ６を構成し、電極と金属板の間に、例えば金属メッシュ７や金属製のコルゲートフィンを挿入することにより、ガス流路を形成している。あるいは図７に示すように、一枚の金属板をプレス成形などによって加工して谷折れ部９と山折れ部１０を作り、ガス供給側マニホールドからガス排出側マニホールドまでの谷折れ部９でガス流路を形成する方法も考えられる。
【００１６】
以上に示した燃料電池では、水素ガスや空気などのガスをシールするため、電極の周囲にシール材やＯ−リングを配置する必要がある。この時、ＭＥＡには、シール材を設置するための１０ｍｍ程度の糊代が必要になる。また、シール効果のある樹脂をＭＥＡに浸み込ませてシール部とする方法でも、５ｍｍ程度のシール幅が必要である。
【００１７】
燃料電池の小型コンパクト化、省スペース化の為には、これらのシール幅はできるだけ小さくすることが必要である。さらにシール材やシール部を、上下のセパレータで挟み付ける必要があり、比較的大きな締め付け力を常に加えなければならない。そのため、端板や締め付けロッドなどの締め付け治具のサイズや重量が大きくなり、電池全体のコンパクト化、軽量化に向けた問題となっている。
【００１８】
シール材やＯ−リングを用いた方法や、樹脂を予めＭＥＡに浸み込ませてシールする方法では、シールのための部材や工程が必要となり、低コスト化のためにはさらなる工夫が望まれていた。また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜と電極、および電極とセパレータ板とが十分に圧接していることが必要であるが、これら従来法では端板からの締め付け圧が電極部とシール部の両方に作用するため、十分な圧接力を加えるための厚さ形状管理が難しいという問題もある。
【００１９】
内部マニホールド方式では、積層数の小さい燃料電池では、電池全体のコンパクト性を考慮して、孔径の小さいマニホールド孔にし、逆に積層数の大きい燃料電池では圧損を抑えるために孔径の大きなマニホールド孔にする必要がある。すなわち、セパレータやＭＥＡの設計では、常に積層数を考慮し無ければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
一方、従来のカーボン板の切削による方法では、カーボン板の材料コストと共に、これを切削するためのコストを引き下げることが困難であり、また膨張黒鉛を用いた方法も材料コストが高く、これが実用化の為の障害と考えられている。
また、上述の金属板を用いる方法では、例えば図６に示すセパレータの場合、燃料ガス供給の動力を減らす目的で、ガス流量を少なくし、ガスの利用率を高くしようとすると、電極表面の燃料ガスの流速が小さくなり、生成した水蒸気の排出が困難になる。また、供給側マニホールドから排出側マニホールドの間でガスを一様に流すことも困難であった。
【００２１】
また、図７に示すセパレータではガス流速が保たれ、ガスを均一に流すこともできる。しかし、マニホールド部の端面が波状構造になるので、燃料ガスのシールが困難であった。また、金属板の加工上の制約も多く、ガス流路の自由な設計も難しかった。
そこで、本発明の目的は、このような問題を解消しうるセパレータを提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決すべく、本発明では、固体高分子電解質膜を挟んだ一対の触媒反応層を有する電極、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガス混合物を供給分配する手段、および前記電極の他方の面に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段を具備した単位電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した固体高分子電解質型燃料電池において、
ガス流通溝を有する金属板で前記セパレータを構成し、かつ前記ガス流通溝と前記燃料ガスを供給分配する手段とをガス気密性非金属材料で接続する。
【００２３】
前記ガス流通溝は、互いに平行な複数の直線形状の溝からなるのが好ましい。
また、前記金属板の一方の面に形成したガス流通溝が、前記金属板の他方の面でガス流通溝の凹部を形成しているのが好ましい。
また、前記セパレータが複数枚の金属板よりなり、前記金属板の少なくとも１枚の全面にガス流通溝を有するのが好ましい。
さらに、前記ガス気密性非金属材料を前記金属板に対して所定の圧力以上で押圧したとき、前記金属板と前記ガス気密性非金属材料の接触面が前記燃料ガスに対してガス気密性を有するのが好ましい。
【００２４】
前記セパレータには、金属板のプレス成形または折り曲げ加工により、セパレータのガス流通溝を形成することができる。
さらに、前記セパレータは、プレスまたは折り曲げにより金属板の全面に波状加工を施すことで、互いに平行な複数の直線形状を有するガス流通溝を形成した後、前記波状加工を施した金属板の一部分を平坦化することにより作製することができる。
また、ガスシール性材料を、金属板への接着または焼き付けにより、ガス流通溝を形成した金属板と一体化することもできる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ステンレスなどの金属セパレータを切削加工しないで用いることができるので、量産時に大幅なコスト低減を図ることができる。また、セパレータを一層薄くできるので積層電池のコンパクト化に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池においては、セパレータなどの電池構成部材の間にシール材を挟み込んでシールする従来のシール法に代え、積層された電池構成部材の側面部にシール材を配するシール法を用いてもよい。さらに、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の電極周囲のシール部、シール材料を取り除き、基本的にセパレータと同面積の電極を構成する。また、積層電池の側面部に配するシール材に、より引っ張り強度のある繊維状材料などを配する。また、製造単位としては、セパレータ、ＭＥＡを共有する電極積層部と、積層数や電池出力によって設計の異なるマニホールド部とに分けられる。
【００２７】
また、本発明においては、固体高分子型燃料電池を作製する際には、固体高分子電解質膜、触媒反応層を有する電極、セパレータなどの電池構成部材からなる単位電池を複数個重ねた積層電池の側面をガス気密性の電気絶縁性材料（以下、「シール材」ともいう。）で覆うことにより、ガスシール性を付与するのが好ましい。これにより、ＭＥＡの電極周囲のシール材が不要で、電極を積層電池の側表面まで構成する事が可能であり、全体としてコンパクトな構成となった。
【００２８】
また、積層電池の側表面を覆う前記シール材を、例えば繊維、織布、不織布、網などのシール材に比べて高い引っ張り強度の材料を被覆することによって、複合材を得る。そして、この複合材で各々の電池構成部材が周辺部を機械的に締結する構造とすることができ、積層電池の両端部から必要な締結力を最小限に抑えることができる。
積層電池側面部にシール材を配すると、電極積層部とマニホールド部が分かれたいわゆる外部マニホールド構造が容易になり、製造単位としてセパレータ、ＭＥＡを共有する電極積層部と、積層数や電池出力によって設計の異なるマニホールド部に分けることができ、低コスト化が図れる。
【００２９】
さらに、本発明の電池の製造法としてＭＥＡやセパレータなどの構成部材を位置を合わせて積み重ねて固定した後、樹脂やシール材を側表面に塗工、構成する方法で製造工程を大幅に簡素化できる。
【００３０】
また、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池は、前記ガス気密性の電気絶縁性材料を介してガスマニホールドを設置している。このような構成をとると、外部マニホールドのシール面と接する積層電池の側面を平滑にすることが可能となり、外部マニホールドと積層電池の側面とのガスシール性を向上することができる。
ここにおいて、前記ガスマニホールドを、弾性体で構成すると、積層電池の積層方向の厚さのクリ−プを吸収し、かつ外部マニホールドのシール面と接する積層電池の側面の凹凸を吸収して、外部マニホールドと積層電池側面とのシール性を向上することができる。
【００３１】
また、ガス気密性の電気絶縁性材料が、シリコーン樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などの熱可塑性樹脂などの樹脂、シリコーンゴム、ブタジエンゴムなどのゴムで形成されていると、電気絶縁性を保つことが可能となり好適である。
特に、エラストマーを使用した場合には、積層電池の積層方向の厚さのクリ−プを吸収し、かつ外部マニホールドのシール面と接する積層電池の側面の凹凸を吸収して、全般的なシールの信頼性を向上することができて都合がよい。
さらに、前記ガスマニホールドを構成する材料と前記気密性の電気絶縁性材料とが同一材料であると、熱膨張係数の違いによる外部マニホールドとこれと接する積層電池の側面との接合性を損なうことないため、外部マニホールドと積層電池側面とのシール性を向上することができて好ましい。
【００３２】
上記固体高分子電解質型燃料電池の製造法は、外部マニホールドと電気絶縁性材料を気密に接合する工程を含むため、外部マニホールドと積層電池の側面とのシール性を向上させることができて好適である。特に、この工程を超音波溶着によっておこなうと、接合性が向上して好ましい。
また、積層電池と外部マニホールドの側面を射出成型によって一体成型してモールドすると、外部マニホールドと積層電池の側面との間に接合面が無くなり、シール性を向上することができて好適である。
【００３３】
つぎに、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の特徴について説明する。本発明においては、セパレータについて、上記の問題を解決するため、本発明では図７に示す構造に大幅な改良を加えた。すなわち、ガス流通溝はプレス成形などで流路を形成するが、マニホールド部は平坦化した構造とするのである。そして、プレス成形によるガス流通溝とマニホールド部を接続するガス流通溝は、前記ガス気密性の電気絶縁性材料と同じでよいガス気密性非金属材料で構成する。
【００３４】
金属板の加工により形成した複数の実質的に平行な各ガス流通溝の間を、ガス気密性非金属材料による湾曲したガス流通溝によって接続する。さらにはセパレータを構成する金属板のうち、１枚の金属板の全面に切削によらない方法で流路を形成し、別の１枚の平坦な金属板とその上に設けた非金属材料によるガス流通溝、および凸部とあわせてセパレータを構成してもよい。
また、１枚の金属板を塑性変形させ両面にガス流通溝を形成する手法により、１枚のセパレータの両面に水素ガス流通溝と空気流路を形成する方法も採用することができる。
【００３５】
また、１枚の金属板の１部分にのみガス流通溝を形成する方法として、一旦、金属板の全面に切削法によらず波状加工を施し、その後、周辺のガスシール部など平坦性が必要な部分をプレス加工などにより平坦化してもよい。
さらにはガス流通溝を形成するガス気密性非金属材料が圧縮されたとき、圧縮面にガスシール性を有するものであり、ガス気密性非金属材料で形成されたガス流通溝が金属板と実質的に一体化されていてもよい。
【００３６】
本発明の固体高分子型燃料電池に用いるセパレータはすべて、ステンレス鋼などの金属の平板をプレス成形や折り曲げ加工したものに樹脂などのガス気密性非金属材料でできたガス流通溝を組み合わせたものであり、直接材料コストも廉価で、量産性に優れ加工コストも格段に小さい。
【００３７】
供給する燃料ガスの利用率を高く維持し、かつガス流速も高くしようとすると、ガス流通溝を狭くし断面積を小さくしなければならない。しかし、このために金属板に波状構造を導入してガス流通溝とすれば、ガス流通溝のマニホールド端面が波状構造となって、積層したときマニホールド部でのガスシール性の保持が難しい。
【００３８】
そこで電極の大部分が実質的に接するセパレータ中央部は金属板の波状加工によるガス流通溝を構成することにより、電極とセパレータの導電性を保持する。一方、マニホールド孔の周辺の金属板は平板状とし、その部分に樹脂などガス気密性で非導電性の材料を用いたガス流通溝を形成すると、マニホールド端部でのガスシール性を維持することができる。
【００３９】
また、湾曲したガス流通溝をプレス成形などにより形成することは、成形可能な形状が制限され、また成形後も歪みが残る場合もあり問題が多い。そこで金属板上に形成するガス流通溝は直線で平行な複数の溝とした。さらに、電極の周辺部と接する溝の端部において、隣接する溝と溝とを結ぶ、湾曲部を有するガス流通溝を樹脂などで形成し、同じガス利用率でもガス流速を高く維持できるものとした。また、樹脂による湾曲部の溝の設計を変えることで、ガス流速を変えるものとした。
【００４０】
また、一枚の金属板の一部分に数多くの溝を形成しようとすると、形成可能な形状が制限される。そこでガス流通溝を形成する金属板は、予め全面に波状加工を施した複数の金属板を用いて、最終的にこれを組み合わせることとした。この工法により、加工上の課題は大幅に軽減される。
さらに、１枚の金属板のガス流通溝の部分に波状加工し、金属板の両面にガス流通溝がある構造では、一方の面の隣接したガス流通溝を隔てる凸部が背面ではガス流通溝となっているので、セパレータの厚さは、片側のガス流通溝の深さと金属板の厚さとの和まで、薄くすることが可能となる。
さらにガス流通溝を構成する材料に圧接シール性があり、金属板と一体化されていれば新たにシール材を配する必要はなく、積層電池の組立も大幅に容易になる。
本発明の実施例を、図面を参照しながらより具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【実施例】
【００４１】
《参考例１》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。このときのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極の拡散層となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理することで撥水性を付与した。つぎに撥水処理を施した前記カーボンペーパーの片面にカーボン粉末を含む前記スラリーを均一に塗布して触媒反応層を形成し、これを電極とした。
【００４２】
図５に示す構造を採用し、以上の方法で作製した２枚のカーボンペーパー電極で、触媒反応層２を形成した面を内側に向け、電解質膜３を挟んで重ね合わせた後、乾燥した。カーボンペーパーの長さおよび幅は１０ｃｍとし、長さおよび幅が１２ｃｍの電解質膜３の中央に配置した。供給する燃料ガスがリークしたり、互いに混合しないように、電極間には電解質膜３を挟んで、シール材として約３５０μｍの厚さのシリコーンゴムのシートを配し、１００℃で５分間ホットプレスし、ＭＥＡを得た。
このＭＥＡを、その両面から気密性を有するカーボン製のセパレータ板４で挟み込むことで単位電池の構成とした。
【００４３】
セパレータ板は、厚さが４ｍｍで、その表面には切削加工により幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路５を刻み、その周辺部にはガス用マニホールド８と冷却水用マニホールド８’を配した。また、ＭＥＡをセパレータで挟み込む際、電極の周りにはカーボン製のセパレータと同じ外寸のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製シートを配した。このＰＥＴシートは、カーボンセパレータと電解質膜との間のスペーサとして用いた。このような単位電池を２セル積層した後、冷却水が流れる冷却流路を、セパレータに形成した冷却部を積層し、このパターンを繰り返して積層した。冷却部のシール用Ｏ−リングは用いなかった。
【００４４】
このような電池構成単位を５０セル積層し、両端部には金属製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。この５０セル電池モジュールに、燃料ガスと冷却水を通じたが、これらがＰＥＴシートとセパレータの隙間からリークして電池性能は得られなかった。
【００４５】
そこで本参考例では、フェノール樹脂粉末を有機溶媒に溶かした溶液を、５０セル電池モジュールの側表面に塗布し、乾燥固化させた。また、マニホールド内部についても、端板に設けた流体供給排出口からフェノール樹脂溶液を注入し、マニホールドの内部表面にフェノール樹脂を塗布し、乾燥させた。
【００４６】
この５０セル積層電池に、水素と空気を通じ、冷却水を循環させて電池試験を行った。水素利用率７０％、酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素加湿バブラー温度７５℃、電池温度７５℃の条件での電池出力は、１０５０Ｗ（３０Ａ−３５Ｖ）であった。
また、電池側表面およびマニホールド内部へのガスリーク、冷却水リークはなかった。また、組立時の締結圧を５ｋｇｆ／ｃｍ2としても電池性能への影響はなかった。
【００４７】
以上の特性評価の後、電池を分解し、内部の様子を観察した。図８に電池側表面部の概略断面図を示す。塗布したフェノール樹脂１１が側表面を覆い、カーボン製のセパレータ板４やＰＥＴシート１２と結合してシール性を保持している様子が十分に観察できた。側表面へ塗布する樹脂としてフェノール樹脂の他にブタジエンゴムについてもエステル系溶媒に溶かして試みたところ、フェノール樹脂とほぼ同等のシール効果が得られた。このように、本参考例で使用したフェノール樹脂以外に、数多くの公知の樹脂が使用できることは言うまでもない。
【００４８】
《参考例２》
参考例１で作製した電池では、マニホールドへの樹脂塗布がガス分配供給口を塞がないようにする必要がある。そのため、樹脂塗布液の濃度、粘度やガス分配供給口の孔径に制約があった。そこで、本参考例の電池では、内部マニホールド方式に代え、外部マニホールド方式を採用した。ここで用いたセパレータの構成を図９に示した。
【００４９】
図９において、セパレータにはマニホールドを設けず、ガス流路５のみを全面に配置した。ガス流路５の供給口と排出口は互いに対向する辺に構成した。単位電池を積層した際、対向する側面に外部マニホールドが位置するように、水素ガスの供給排出口１３、空気の供給排出口１４、冷却水の供給排出口１５を配置した。
電極の構成は、図５に示したものと同一とした。ＰＥＴシートを電極周囲のスペーサとして配した。単位電池を２セル積層した後、冷却部を積層するパターンで、５０セルを積層した電池モジュールを組み立てた。冷却部のシールには、Ｏ−リングを用いなかった。集電板、絶縁板、端板は参考例１の電池と異なり、流体の供給排出口を設ける必要はなかった。電池モジュール締結のための締結ロッド部は、ガスの給排出口が開いている側面とは異なる側面に設けた。次に、参考例１の電池と同じく、フェノール樹脂をシール材として側表面から覆った。この時、ガスの給排出口、冷却水の給排出口にはシール材が閉塞しないようにした。
【００５０】
つぎに図１に示すように、フェノール樹脂製の半円筒状の外部マニホールド２５を電池モジュール側面から、空気の供給口、排出口、水素の供給口、排出口、冷却水の供給口、排出口のそれぞれの列を覆うように設けた。この外部マニホールドの固定は端板部においてビス２６で行った。また、外部マニホールドと電池の側表面を覆うシール材との間のシールはシリコーン樹脂によって行った。
この５０セル積層電池に、水素と空気を通じ、冷却水を循環させて電池試験を行った。水素利用率７０％、酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素加湿バブラー温度７５℃、電池温度７５℃の条件での電池出力は、１０２０Ｗ（３０Ａ−３５Ｖ）であった。
【００５１】
また、電池の側表面にシール材を構成する前にフェノール樹脂製の外部マニホールドを固定し、その後でシール材を塗布、乾燥させる方法で組立の工数を低減した場合も、同様の性能が得られた。
さらに、本参考例の電池では、樹脂製の外部マニホールドを用いたが、マニホールドの電池と接するシール部を電気的に絶縁すれば、金属製マニホールドを使用できることは言うまでもない。
この参考例では、固体高分子型燃料電池の側面全域にシール材を配する方法を採ることで、従来、溶融炭酸塩型などの燃料電池で用いられた外部マニホールド方式が、容易に実現できることを示した。
【００５２】
また、本参考例の構成をとると、マニホールド部と電池積層部とを別々に製造することができる。これにより、例えば燃料電池の用途、出力規模によらず同一形状のセパレータ、電極・電解質体からなる電池積層部を大量に規格生産し、マニホールド部は用途、出力規模に応じて製造することを可能とし、コスト削減に寄与できることを示した。
【００５３】
《参考例３》
参考例１および参考例２で示した電池では、ＭＥＡの構造として電極の周囲にＰＥＴシートのスペーサを配したが、本参考例では、ＰＥＴシートを廃し、触媒層を塗布したカーボンペーパー電極をカーボンセパレータと同じ外寸とし、積層時に電極端部が電池の側面に達している構造の電池を作製した。
【００５４】
参考例２の電池と同じく、シール材を電池積層部の側面に構成し、外部マニホールドを接合した。その他の構成を参考例２の電池と同一にし、５０セルの積層電池を組み立てた。尚、電池試験を行なう前のガスシール試験では、塗布するフェノール樹脂溶液が濃く粘度が高すぎると、シール性が悪化することを確認した。そこで本参考例では、樹脂溶液の粘度に注意した。
モジュールの電池試験の結果は、参考例１と同一条件で行い、１０８０Ｗ（３０Ａ−３６Ｖ）を得た。この結果は、ＰＥＴシートなどのスペーサがあるものに比べて、高いもであった。この理由は、図１０に示すように、電極の端部において外部からシール材１７を適用しているので、実質的にカーボンセパレータと同じ面積の電極構成が可能となったことによるものと考える。
【００５５】
本参考例で示したように、電池構成部材を、積層した外部からシールすることが、電池のコンパクト化にきわめて有効であることを確認した。
また、上述の参考例１〜３を通じて実施した積層電池の製造法、すなわち電池構成部材を所定の順に積層し、端板等で固定した後、側面にシール材を配するという方法は、電池構成部材を積み重ねながら、逐次側面にシール材を配する方法に比べて飛躍的に工数を削減することが出来た。
また、本参考例で用いたカーボンセパレータは、参考例２で用いた外部マニホールド型のものであるが、内部マニホールド型でも同様に構成できる。
【００５６】
《参考例４》
固体高分子型燃料電池を実用化するためには、いろいろな衝撃力やヒートサイクルによる熱ひずみに対する信頼性が必要である。そこで本参考例では、次の評価を行った。
本参考例の電池の作製は、参考例３と同様にした。ただし、、フェノール樹脂で側面をシールした後、その上からガラス繊維からなる厚さ約１ｍｍの布で覆い、さらにフェノール樹脂を含浸し、塗り込んで複合材として固化した。
【００５７】
参考例３の積層電池を、１ｍの高さから落下させると、積層構造がずれ、ガスリークが発生したが、本参考例電池は、シール部をガラス繊維布により強化したため、３ｍの高さからの落下試験でもガスがリークすることは無かった。
さらにガラス繊維布に代えて、より高い引っ張り強度を有するカーボン繊維布を用いると、７ｍからの落下試験でもガスリークは認められなかった。
また、電池試験の結果は、参考例１と同一条件で行い、１０８０Ｗ（３０Ａ−３６Ｖ）を得た。
【００５８】
本参考例の電池では、上述のように織布を用いたが、不織布や網などを用いても同様な効果が得られた。
この理由は、従来の電池が遠く離れた２つの端板から締結圧を加えていたのに対し、この方法では端板からの締結圧力（５ｋｇｆ／ｃｍ2）に加え、それぞれの隣接する電池構成部材間を直接固定することができたためと考える。
【００５９】
また、これまでの参考例に用いたシール材はフェノール系の樹脂であり、ある程度の耐熱性を有するが、硬化後は非常に硬いものとなる。本参考例で作製した電池を、５℃と１００℃との間でヒートサイクルを５回程度繰り返すと、側面のシール面に、熱ひずみのためと思われるクラックが入り、ガスリークと冷却水のリークが発生した。そこでフェノール樹脂よりも伸縮性を有するシリコーン樹脂をシール面に用い、その上からフェノール樹脂でモールドすると２０回以上の前述のヒートサイクルにも耐えるようになった。さらに繊維布と併用することによってヒートサイクルに対する耐久性と、機械的強度との両方を兼ね備える電池の作製ができた。
【００６０】
このように、ヤング率や引っ張り強度など機械的性質の異なる２種以上の材料をシール材と合わせて用いることにより、機械的強度やヒートサイクル耐久性の高い積層電池モジュールを作製することが出来た。
【００６１】
《参考例５》
固体高分子型燃料電池の長期連続運転では、相当な締結圧を、電極の両端から恒常的に印加しなければならない。この時、端板や締結ロッドなどの部材が長大となることが障害となる。そこで本参考例では、カーボン繊維布を用いて次の評価を行った。
【００６２】
積層電池組立時に固定する端板からの締結圧を、１０ｋｇｆ／ｃｍ2と高めに設定し、参考例４の電池と同じフェノール系樹脂とカーボン繊維布を用いて電池側面のシール材を構成した。フェノール系樹脂を十分に固化させた後、締結ロッドをゆるめて端板からの締結圧を小さくしていった。その他の構成を参考例４の電池と同一とし、本参考例の電池を作製した。
【００６３】
この電池に対して、上記参考例と同じ落下試験を行うと、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。更に、上記工程で行った端板からの締結圧を、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2まで下げたときも、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。
本参考例では厚さ２０ｍｍのステンレス製端板を用いたが、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の締結圧で、厚さ５ｍｍのステンレス製端板を用いても、同様の強度を得た。また、ステンレスなどの金属に代えて、強化プラスチックなどのより軽い材料を用いても、同様の効果を得た。
【００６４】
また、締結圧を２０ｋｇｆ／ｃｍ2とし、その後同様にフェノール系樹脂を十分に固化させた後、締結ロッドをゆるめて端板を取り除いた。この状態でも積層電池モジュールは締結された状態で十分な機械的強度を有しており、３ｍからの落下試験でもガスリークは発生しないことを確認した。
本参考例のような構造により端板を除くことができ、大幅なコンパクト化、軽量化が可能であった。
【００６５】
《実施例１》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。このときのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製：商品名ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理することで撥水性を付与した。
【００６６】
図１０に示すように、撥水処理を施したカーボンペーパー電極の片面に、前記のカーボン粉末を含むスラリーを均一に塗布して触媒反応層２を形成した。
カーボンペーパー電極と電解質膜３を１２×１２ｃｍの大きさに裁断した。そして、２枚のカーボンペーパー電極を触媒層２が形成された面を向けて配置し、電解質膜３を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥してＭＥＡ２２を作製した。
このＭＥＡ２２を、その両面から気密性を有するカーボン製のセパレータ板４で挟み込んで単位電池の構成とした。セパレータ板４の厚さは、４ｍｍであった。
【００６７】
以上の単位電池を２セル積層して、電池構成単位を得た。冷却部のシール用Ｏ−リングは用いなかった。
電池構成単位のセパレータは、図９に示すように、一方の面に冷却水路１６を配置し、他方の面にはガス流路５を配置したセパレータ板４ａ、一方の面にガス流路５を配置し、他方の面にガス流路５を配置したセパレータ板４ｂ、および一方の面にガス流路５を配置し、他方の面に冷却水路１６を配置したセパレータ４ｃから構成され、ガス流路５の水素ガス供給排出口１３および空気供給排出口、ならびに冷却水路１６の冷却水供給排出口１５は、それぞれ互いに対向する辺に設けた。
ガス流路５および冷却水路１６は、切削加工によって、セパレータ板の表面に形成する。例えば、本実施例のガス流路５は、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を図９に示すような形状で、セパレータの面に刻んで形成した。
【００６８】
このようにして単位電池を５０セル積層し、両端部に金属製の集電板と電気絶縁材料でできた絶縁板、さらに端板を順に重ね合わせ、そして、これらを貫通させたボルトとナットにより、両端板を締結して積層電池を作製した。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。電池モジュール締結のための締結ロッド部は、ガスの給排出口が開いている側面とは異なる側面に設けた。
次に、フェノール樹脂をシール材として用い、この溶液を積層電池の側面に塗布乾燥させることによって積層電池の側面を被覆し、シール部２０を形成した。この時、ガスの供給排出口、冷却水の供給排出口が、シール材により閉塞されないようにした。また、外部マニホールドのシール面と接する部分は、できるだけ平滑な面が得られるよう注意してフェノール樹脂を塗布した。
【００６９】
つぎに、図１に示すように、ステンレス鋼製の半円筒状の外部マニホールド２５を積層電池側面に露出する水素ガス供給排出口１３、空気供給排出口１４および冷却水供給排出口１５の列を覆うようにマニホールドを設けた。これらの外部マニホールド２５の固定は端板部においてビス２６で行った。
また、外部マニホールドと電池の側表面を覆うシール材との間のシールには、独立気泡を有するエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配合物（ＥＰＤＭ）シ−トを所定の外部マニホールドシール面の形にカットしたガスケット２７を用いた。
【００７０】
この積層電池に、水素と空気を通じ、冷却水を循環させて電池試験を行った。水素利用率７０％、酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素加湿バブラー温度７５℃、電池温度７５℃の条件での電池出力は、１０２０Ｗ（３０Ａ−３５Ｖ）であった。
外部マニホールドのシール部からのガスリークも測定したが、リークは検出できず、良好なシール性が得られることが分かった。
この実施例では、高分子電解質型燃料電池の側面全域にシール材を配する方法を採ることで、従来、溶融炭酸塩型などの燃料電池で用いられた外部マニホールド方式が、容易に実現できる。
【００７１】
また、本実施例で示した構成をとると、マニホールド部と電池積層部とを別々に製造することができる。これにより、例えば燃料電池の用途、出力規模によらず同一形状のセパレータ、電極、電解質体からなる電池積層部を大量に規格生産し、マニホールド部は用途、出力規模に応じて製造することを可能とし、コスト削減に寄与できる。
【００７２】
《実施例２》
本実施例では、フェノール樹脂の溶液の粘度を種々に変化させた他は、実施例１と同様にして、外部マニホールド型燃料電池を作製した。そして、電池試験を行なう前に、ガスシール試験をおこなった。その結果、塗布するフェノール樹脂溶液が濃く粘度が高すぎると、シール性が悪化した。
実施例１と同一条件で、モジュールの電池試験を行った結果、１０８０Ｗ（３０Ａ−３６Ｖ）を得た。この値は、従来のＰＥＴシートなどのスペーサを用いた燃料電池に比べて、高いものであった。この理由は、図８に示したように、電極端部のシールが外部からなされているので、実質的にカーボン製セパレータ板と同じ面積の電極構成が可能となったことによるものと考えられる。
【００７３】
また、積層電池に、常温から８０℃までのヒートサイクルと同時に起動・停止を行う試験を連続１０回にわたって実施した。その結果、外部マニホールドシール部からのガスリークは検出されず、積層電池の厚さ方向のクリープが発生しても外部マニホールドのシール性を維持できることがわかった。
本実施例で示したように、積層した電池を外部からシールすることが、電池のコンパクト化にきわめて有効であった。
また、上述の実施例１を通じて実施した積層電池の製造法、すなわち電池構成部材を所定の順に積層し、端板等で固定した後、側面にシール材を配するという方法は、電池構成部材を積み重ねながら、逐次側面にシール材を配する方法に比べて飛躍的に工数を削減することができた。
【００７４】
《実施例３》
高分子電解質型燃料電池を実用化するためには、いろいろな衝撃力やヒートサイクルによる熱ひずみに対する信頼性が必要である。そこで本実施例では、次のような電池を作製した。
実施例１と同様にして積層電池を作製した。そして、その側面をフェノール樹脂でシールする替わりに、ポリイソブチレン系ゴムでシールした後、その上からエンジニアリングプラスチックである液晶ポリマーを約１ｍｍの厚さで覆い固化した。
【００７５】
実施例２で作製した積層電池を１ｍの高さから落下させると、積層構造がずれ、ガスリークが発生した。本実施例で作製した電池は、シール部をエンジニアリングプラスチックにより強化したため、５ｍの高さからの落下試験でもガスリークすることはなかった。
また、電池試験を実施例１と同一条件で行ったところ、１０８０Ｗ（３０Ａ−３６Ｖ）であった。
【００７６】
また、実施例１および２で用いたシール材のフェノール樹脂は、ある程度の耐熱性を有するが、硬化後は非常に硬いものとなる。
本実施例と実施例２で作製した電池を、常温と８０℃との間でヒートサイクルを１０回繰り返すと、実施例２においては外部マニホールドのシール面からのガスリークは検出されなかったが、積層電池側面のシール面に、熱ひずみのためと思われるクラックが入り、ガスのリークと冷却水のリークが発生した。
本実施例で作製した電池は、フェノール樹脂に比べ伸縮性を有するイソブチレンゴムをシール面に用い、その上からエンジニアリングプラスチックでモールドしたため、１００回以上の前述のヒートサイクルにも耐えるようになった。
このように、ヤング率や引っ張り強度など機械的性質の異なる２種以上の材料をシール材と合わせて用いることにより、機械的強度やヒートサイクル耐久性の高い積層電池モジュールを作製することができた。
【００７７】
《実施例４》
高分子電解質型燃料電池の長期連続運転では、相当な締結圧を、電極の両端から恒常的に印加しなければならない。この時、端板や締結ロッドなどの部材が長大となることが障害となる。そこで本実施例では、電池側面のガスシール部と外部マニホールドを接着剤によって接合させた燃料電池を作製して、その評価を行った。
積層電池組立時に固定する端板からの締結圧を、１０ｋｇｆ／ｃｍ2と高めに設定し、実施例３の電池と同様にして、ポリイソブチレン系ゴムとエンジニアリングプラスチックを用いて電池側面のシール材および外部マニホールドを構成し、ガスシール面をシリコンゴム系接着剤によって接合した。
そして、接着剤を十分に固化させた後、締結ロッドをゆるめて、端板からの締結圧を小さくしていった。その他の構成を実施例３の電池と同一として、本実施例の電池を作製した。
【００７８】
この電池に対して、落下試験を行ったところ、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。更に、上記工程で行った端板からの締結圧を、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2まで下げたときも、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。
本実施例では厚さ２０ｍｍのステンレス鋼製端板を用いたが、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の締結圧で、厚さ５ｍｍのステンレス鋼製端板を用いても、同様の強度を得た。また、ステンレス鋼などの金属に代えて、強化プラスチックなどのより軽い材料を用いても、同様の効果を得た。
また、締結圧を２０ｋｇｆ／ｃｍ2とし、締結ロッドをゆるめて端板を取り除いた。この状態でも積層電池モジュールは締結された状態で十分な機械的強度を有しており、３ｍからの落下試験でもガスリークは発生しないことが確認された。
本実施例のような構造をとると、従来の端板を除くことができ、大幅なコンパクト化、軽量化が可能になった。
【００７９】
《実施例５》
電池側面のシール材と外部マニホールドとのガスシール面を超音波溶着によって接合した他は、実施例４と同様にして電池を作製した。
この電池に対して、実施例４と同じ落下試験を行うと、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。更に、上記工程で行った端板からの締結圧を、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2まで下げたときも、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。
【００８０】
《実施例６》
ポリイソブチレン系ゴムとエンジニアリングプラスチックを用い、射出成型によって、参考例４で作製した燃料電池の側面を一体成型した。
この電池に対して、実施例４と同じ落下試験を行うと、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。更に、上記工程で行った端板からの締結圧を、０．５ｋｇｆ／ｃｍ2まで下げたときも、５ｍの落下試験に耐えることが分かった。
【００８１】
《実施例７》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。このときのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理することで撥水性を付与した。つぎに撥水処理を施した前記カーボンペーパーの片面にカーボン粉末を含む前記スラリーを均一に塗布して触媒反応層を形成し、これを電極とした。
【００８２】
以上の方法で作製した２枚のカーボンペーパー電極を、触媒層を形成した面を内側に向け、これで固体高分子電解質膜を挟んで重ね合わせた後、乾燥した。以上のカーボンペーパー電極は、長さおよび幅を１０ｃｍとし、長さおよび幅が１２ｃｍの電解質膜の中央に配置した。供給する燃料ガスがリークしたり、互いに混合しないように、電極の周囲に高分子電解質膜を挟んで、約３５０μｍの厚さのシリコンゴムのシートを配し、１００℃で５分間ホットプレスし、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）を得た。
【００８３】
セパレータ用の金属板は、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板を用い、その中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、５．６ｍｍピッチ（溝幅約２．８ｍｍ）の波状加工部を、プレス加工によって形成した。このとき溝２９の深さ（山３の高さ）は約１ｍｍとした。
【００８４】
図１１の（ａ）に示すように、対向する２辺にはそれぞれ水素ガス、冷却水、空気を供給排出するためのマニホールド孔２８を設けた。図１１の（ｂ）には、図１１の（ａ）における一点鎖線部分の概略拡大図を示す。水素側となるセパレータには、図１２の（ａ）に示すように、マニホールド孔から金属板の加工によるガス流通溝まで、フェノール樹脂でできたリブ３１によってガスを誘導する溝２９を設けた。また、２個の溝が互いに隣り合い、湾曲してつながるようにフェノール樹脂でできたリブ３１を設けた。
【００８５】
このフェノール樹脂製の凸部は、厚さが約１ｍｍで金属板の溝の山の高さと同じとした。ＳＵＳ３１６製の金属板の外周部、マニホールド孔の周囲にも同様に形成し、金属板の形状に対応したガスケットを構成している。空気側となるセパレータは図１２の（ｂ）に示すように、隣り合う６個の溝が、湾曲して連続したガス流通溝を形成するようにした。空気側と水素ガス側で構造を変えているのは、空気側と水素ガス側とでガス流量が２５倍程度異なるからである。逆に言えば、このような構造では、ガス流量に応じて樹脂製のガス流通溝の形状を変えることにより、最適なガス流速とガス圧損にする事が可能である。
【００８６】
図１３において、これら２種類のセパレータとガスケットにより、ＭＥＡ２２をはさみ電池の構成単位とした。図１３で示したように、水素ガス流通溝３３と空気流通溝３４の位置は対応するように構成し、電極に過剰なせん断力がかからないようにした。単位電池を２セル積層ごとに冷却水を流す冷却部３５を設けた。冷却部にはＳＵＳ３１６製の金属メッシュ７を用いて導電性と冷却水の流通性を確保し、外周部とガスマニホールド部にフェノール樹脂製のガスケット１９を設けることによってシール部とした。ガスケットとＭＥＡ、金属板と金属板、ガスケットと金属板などのガスシールが必要な部分はグリース３６を薄く塗布することによってあまり導電性を低下させずにシール性を確保した。
【００８７】
以上示したＭＥＡを５０セルを積層した後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結ロッドで、２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で締結した。締結圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きいので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破損したり、ステンレス板が変形したりするのでガス流通溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。
以上の工法で作製した本実施例の固体高分子型燃料電池に対し、燃料ガスとして、水素利用率７０％、酸素利用率２０％で水素と空気を流し、性能試験を行った。このとき電池温度は７５℃、水素側の加湿温度は８０℃、空気側の加湿温度は７５℃であった。その結果、１０５０Ｗ（３５Ｖ−３０Ａ）の電力出力を得た。
【００８８】
この実施例ではガス流通溝を複数の平行直線で構成したが、図１４に示すように２箇所の湾曲部３７を経て、ガスを供給するマニホールドから、ガスを排出するマニホールド孔をガス流通溝でつなぐ構造や、巻き貝の殻のように中央部のマニホールド孔と外側のマニホールド孔とをガス流通溝でつなぐ構造など様々な構造も可能である。
【００８９】
《実施例８》
実施例７では、燃料ガスに対して通気性を有しない材料としてフェノール樹脂を用いてガス流通溝を形成したが、成形が容易なカーボン材料やゴム状材料を用いることもできる。そこで、本実施例ではゴム状材料を用いて試作した。
【００９０】
厚さ約１ｍｍのイソブチレンゴムシートを、実施例７で用いたフェノール樹脂製ガスケットと同じ形状にカットし、ステンレス鋼板と併せてセパレータとした。実施例７で用いたフェノール製ガスケットは、多くのシール部にグリスを用いる必要があったが、本実施例では金属板と金属板とのシール部を除いてグリスは不要であった。また、フェノール製ガスケットの場合は、金属板で構成されたガス流通溝とフェノール樹脂製のガス流通溝との継ぎ目（図１２の３２）からガスが漏れる傾向にあり、注意を要したが、イソブチレンゴムシートを用いるとその部分でのガスリークはほとんど起こらなかった。
【００９１】
シリコーンゴムシートやテフロン（ポリフッ化エチレン系繊維）シートなどの樹脂シートを用いて試作を行った結果、３０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で、金属面へ押さえつけたときガスシール性が保持される材料は、おおむねガスリークは起こらなかった。また、イソブチレンゴムシートからできたガスケットをあらかじめ接着剤で固定し、ＳＵＳ製の金属板と一体化させておくと積層電池の組立を簡便に行うことが出来た。
【００９２】
以上の工法で作製した本実施例の固体高分子型燃料電池に対し、燃料ガスとして、水素利用率７０％、酸素利用率２０％で水素と空気を流し、性能試験を行った。このとき電池温度は７５℃、水素側の加湿温度は８０℃、空気側の加湿温度は７５℃であった。その結果、１０４０Ｗ（３５Ｖ−３０Ａ）の電力出力を得た。
【００９３】
《実施例９》
実施例７と８は、１枚の金属板の中央部にプレス成形でガス流通溝を形成したものであったが、プレス成形の条件が少しでも変わるとソリや歪みが生じて、加工歩留まりは５０％程度であった。そこでプレス成形を要する金属板とガスシールのための平坦な金属板を分けた試作実験を試みた。
すなわち、厚さ０．３ｍｍで９ｃｍ幅のＳＵＳ３１６板を、一方向からの折り曲げ加工によって台形のフィン構造とした。折り曲げ周期は実施例７と同じ５．６ｍｍ（溝幅２．８ｍｍ）とした。図１５に示すように、湾曲部３７のガス流通溝を構成するゴム状のリブ３１の先が、ＳＵＳ３１６板の凸部３０の背面に一部挿入されシール性が保持できる構造とした。
【００９４】
その他、燃料ガスが通っては不都合なＳＵＳ３１６板の凸部の背面には、ゴムシート３８を挿入して封鎖した。こうして実施例７のセパレータと同じ構成が可能となった。電池試験の結果は、実施例７と同じ条件で行い、５０セル積層した電池で１０２０Ｗ（３４Ｖ−３０Ａ）の出力を得た。
【００９５】
《実施例１０》
実施例８の金属板の中央部にプレス成形でガス流通溝を形成したものは、プレス成形条件が少しでも変わるとソリや歪みが生じて、加工歩留まりは悪かった。そこで実施例８のような金属板のプレス成形の方法について検討を行った。
【００９６】
まず、実施例９と同じ台形のフィン構造を折り曲げ、或いはプレス成形で得た。次に、中央部の１０ｃｍ×９ｃｍを除く部分を、プレス（〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2）することによって平坦化した。平坦化は温度を上げることで容易になった。最後に、両側のマニホールド孔を開けた。この工法による金属板の加工は、アルミニウムなどの塑性変形させやすい材料を用いる場合は非常に有効であったが、その場合は腐食などに対する対策を講じる必要があった。
電池試験の結果は、実施例７と同じ条件で行い、５０セル積層した電池で１０１０Ｗ（３４Ｖ−３０Ａ）の出力を得た。
【００９７】
《実施例１１》
以上の実施例は、切削によらない溝形成によって空気側か水素側かどちらか一方のガス流通溝を形成するものであった。本実施例では、さらに一度の溝形成でできる表裏両面の溝をガス流通溝として利用する方法を検討した。
【００９８】
すなわち、図１６に示すように、ＳＵＳ３１６製の金属製のセパレータ板４の周辺部３９が、凸部と凹部の中間の高さとなるようにプレス加工によって溝を形成し、マニホールド孔を開けた。さらにリブとしてイソブチレンゴム製のゴムシート３８を金属凸部３０の高さと同じにして、表裏両面に配することにより実施例７および８と同様なガス流通溝を表裏に形成した。この場合も、積層電池として構成していく場合には、図１６のように空気側と水素ガス側とで溝の位置が対応するようにした。この溝の位置の対応は、図１６に示した冷却部３５においても行った。冷却部も実施例７と同じ構成とした。
【００９９】
電池試験の結果は、実施例７と同じ条件で行い、５０セル積層した電池で１０５０Ｗ（３４Ｖ−３１Ａ）の出力を得た。
以上のように、１枚の金属板の両面にガス流通溝を形成すると、水素ガス側のガス流通溝の隣接する溝を隔てる凸部が、裏面で空気側のガス流通溝を形成し、厚さ方向に共有化した構成を採ることができるので、セパレータ１枚あたりの厚さを非常に薄くすることができた。溝深さを０．８ｍｍ、板厚を０．３ｍｍとしたので１．１ｍｍ厚のセパレータを実現することができた。
【０１００】
さらに、ガス流通溝を形成する非金属材料でできた凸部と、セパレータの周辺端部に配した凸部、マニホールド孔周囲のシール部を形成する凸部は異なる材料も使用できる。例えば１セル分の厚さをより正確に揃える必要性があるときは、セパレータの周辺端部はフェノール樹脂で構成し、シール性が厳格なその他の部分はシリコンゴムで構成することもできる。
【０１０１】
また、ここでは金属板として、ＳＵＳ３１６を用いたが、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４、他のより加工しやすい金属板を用いても有効であった。懸念事項である耐久性についても、ＳＵＳ３１６Ｌでは２０００時間の連続運転後の電圧低下は、５０セル積層した電池で２Ｖ程度であった。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によると、ステンレスなどの金属セパレータを切削加工しないで用いることができるので、量産時に大幅なコスト低減が図れる。また、セパレータを一層薄くできるので積層電池のコンパクト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の参考例における固体高分子型燃料電池の概略斜視図である。
【図２】従来の固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図３】別の従来の固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図４】また別の従来の固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図５】内部マニホールド型の固体高分子型燃料電池の一部切欠き斜視図である。
【図６】従来の金属製のセパレータ板の概略平面図である。
【図７】別の従来の金属製のセパレータ板の概略平面図である。
【図８】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図９】本発明の実施例において用いたセパレータ板の構成を示す概略分解斜視図である。
【図１０】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図１１】本発明の実施例において用いたセパレータ板の概略斜視図である。
【図１２】本発明の実施例において用いたセパレータ板の概略平面図である。
【図１３】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【図１４】本発明の実施例において用いたセパレータ板の概略平面図である。
【図１５】本発明の実施例において用いたセパレータの構造を示す概略斜視図である。
【図１６】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池の構造を示す一部概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１          拡散層
２          触媒反応層
３          電解質膜
４          セパレータ板
５          ガス流路
６          リブ
７          金属メッシュ
８          ガス用マニホールド
８’        冷却水用マニホールド
９          谷折れ部
１０        山折れ部
１１        フェノール樹脂
１２        ＰＥＴシート
１３        水素ガス供給排出口
１４        空気供給排出口
１５        冷却水供給排出口
１６        冷却水路
１７        シール材
１８        Ｏ−リング
１９、２７  ガスケット
２０        シール部
２１        樹脂
２２        電極電解質接合体（ＭＥＡ）
２３        電極
２４        冷却流路
２５        外部マニホールド
２６        ビス
２８        マニホールド孔
２９        溝
３０        凸部
３１        リブ
３２        リブ−凸部接続部
３３        水素ガス流通溝
３４        空気流通口
３５        冷却部
３６        グリース
３７        湾曲部
３８        ゴムシート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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