(57)【要約】【課題】外部からの振動や衝撃等が付与されても、所望のシール機能を保持することができ、しかも構成の簡素化を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して第１シール部材５０が一体化されるとともに、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５８が一体化される。第１シール部材５０には、第１金属セパレータ１８の屈曲端部５２を周回してスペーサ部５４が設けられる一方、第２シール部材５８には、第２金属セパレータ２０の屈曲端部６０を周回してスペーサ部６２が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられる燃料電池であって、
前記金属セパレータには、少なくとも前記シール部材または該金属セパレータの変形量を規制するために、該金属セパレータを挟んでその外周端部を周回してスペーサ部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記スペーサ部材は、前記シール部材に一体成形されるとともに、該スペーサ部材と該シール部材とは、前記金属セパレータに一体化されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、前記金属セパレータの外周端部には、屈曲端部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータは、第１および第２金属セパレータを備え、前記第１および第２金属セパレータに設けられる各スペーサ部材は、互いに隣接して交互に配設されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。ところが、車載用燃料電池を構成する際には、走行時の振動や急停止時または急発進時の衝撃等によって、シール部材が大きく変形してしまうおそれがある。このため、良好な接触面積を確保することができず、所望のシール性を維持することが困難になる場合がある。
【０００５】
さらに、金属セパレータが使用される際には、この金属セパレータの表面にガス圧力による変形、反り、うねり等が惹起し易い。その際、シール部材は、金属セパレータの表面変化に良好に追従することができず、所望のシール機能を維持するために必要なセパレータ表面とのシール面圧を確保することができないという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１の燃料電池では、図８に示すように、燃料電池用セル１の両側にスペーサ２を介装してパッキン３が配置されるとともに、前記セル１の片側面には、バイポーラセパレータ４が配置されている。セル１およびバイポーラセパレータ４が多数積層されて積層体５が構成されるとともに、前記積層体５は、エンドセパレータ６を介してフランジ７間に配置されている。そして、フランジ７同士がボルト８により締め付けられることにより、積層体５に所定の締め付け力が付与されている。
【０００７】
その際、スペーサ２は、セル１に最適な締め付けを行ったときのセル厚さと等しい厚さとし、締め付け力によっても変化しない厚さを持ったもので作られている。これにより、セル１がスペーサ２により保護され、積層体５等を強い力で締め付けても集電部において締め付けすぎることがなく、前記セル１を損傷させることがない、としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２６７５６７号公報（段落［００１０］、［００１１］、図３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、セル１の両側に板状のスペーサ２が配置されているだけである。このため、燃料電池スタックに対して、例えば、斜め方向から衝撃力等が付与された際に、所望のシール機能を維持することができないという問題がある。しかも、バイポーラセパレータ４を金属セパレータで構成する際には、このバイポーラセパレータ４の変形をスペーサ２により確実に吸収することができず、シール性が低下するというおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、外部から振動や衝撃等が付与されても、所望のシール機能を確保することができ、しかも構成の簡素化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられている。そして、この金属セパレータには、少なくともシール部材または前記金属セパレータの変形量を規制するために、該金属セパレータを挟んでその外周端部を周回してスペーサ部材が設けられている。
【００１２】
このため、金属セパレータに、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねり等が発生した際、各金属セパレータに設けられているスペーサ部材同士が接触する。従って、金属セパレータやシール部材に過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になる。しかも、金属セパレータの外周端部の絶縁を行うことにより、前記金属セパレータ同士の電気的接触を良好に阻止することができる。
【００１３】
さらに、燃料電池を車載用として使用する際に、スペーサ部材同士が接触することにより、振動や衝撃に対してシール部材と金属セパレータとの間に発生する摩擦力が増加し、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることが可能になる。しかも、車載時の衝撃に対して、スペーサ部材が荷重を良好に受けることができ、電解質・電極構造体の面圧上昇を防止することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、スペーサ部材は、シール部材に一体成形されるとともに、前記スペーサ部材と前記シール部材とは、金属セパレータに一体化されている。これにより、簡単な構成で、所望のシール機能を確実に保持することができる。
【００１５】
さらにまた、本発明の請求項３に係る燃料電池では、金属セパレータの外周端部に屈曲端部が設けられるため、前記金属セパレータの外周端部を補強して剛性の向上を図ることが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池では、金属セパレータは、第１および第２金属セパレータを備え、前記第１および第２金属セパレータに設けられる各スペーサ部材は、互いに隣接して交互に配設される。従って、簡単な構成で、第１および第２金属セパレータ同士が電気的に接触することを有効に阻止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０を積層する燃料電池スタック１２の要部断面説明図である。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。エンドプレート１４ａ、１４ｂは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている燃料電池１０には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６が、第１および第２金属セパレータ１８、２０に挟持されて構成される。第１および第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２０】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８は、カソード側電極４０よりも大きな表面積を有している。
【００２３】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２４】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。図１および図２に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。
【００２５】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。
【００２６】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。第１シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２７】
図１乃至図３に示すように、第１金属セパレータ１８の外周端部には、電解質膜・電極構造体１６側に向かって屈曲する屈曲端部５２が形成される。この屈曲端部５２を囲繞して、第１シール部材５０を構成するスペーサ部（スペーサ部材）５４が一体化される。このスペーサ部５４は、所定の幅寸法Ｈ１に設定されている。
【００２８】
第１金属セパレータ１８の面１８ａには、スペーサ部５４に近接して第１突部５６ａが設けられ、この第１突部５６ａから内方に所定の距離だけ離間して第２突部５６ｂが設けられる。図４に示すように、第１および第２突部５６ａ、５６ｂは、酸化剤ガス流路４２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通して形成される。
【００２９】
第１および第２突部５６ａ、５６ｂは、先端先細り形状（リップ形状）、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。この第２突部５６ｂは、電解質膜・電極構造体１６を構成する固体高分子電解質膜３６に直接接触する。
【００３０】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、スペーサ部５４に近接して第３突部５６ｃが設けられ、この第３突部５６ｃから内方に所定の距離だけ離間して第４突部５６ｄが設けられる。第３および第４突部５６ｃ、５６ｄは、上記の第１および第２突部５６ａ、５６ｂと同様の形状を有している。
【００３１】
第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材５０と同一の材料で構成される。第２金属セパレータ２０の外周端部には、第１金属セパレータ１８の屈曲端部５２と同一方向に屈曲する屈曲端部６０が形成され、この屈曲端部６０を囲繞して第２シール部材５８を構成するスペーサ部（スペーサ部材）６２が一体化される。このスペーサ部６２は、所定の幅寸法Ｈ２に設定されており、燃料電池スタック１２が構成される際に、スペーサ部５４、６２の間に隙間Ｈ３が形成される。
【００３２】
第２金属セパレータ２０の面２０ａには、第１シール部材５０の第１突部５６ａが密着する第１平面部６４が一体化される。第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、第１平面部６４よりも長尺で、第１シール部材５０の第３および第４突部５６ｃ、５６ｄが密着する第２平面部６６が一体化される。
【００３３】
図２に示すように、第１平面部６４は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第２平面部６６は、アノード側電極３８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図５に示すように、第１平面部６４は、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを燃料ガス流路４４に連通して形成される一方、第２平面部６６は、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通して形成される。
【００３４】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３５】
まず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３６】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極４０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３８に供給される。
【００３７】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３９】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００４０】
この場合、本実施形態では、第１金属セパレータ１８の外周端部を周回してスペーサ部５４が設けられるとともに、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回してスペーサ部６２が設けられている。スペーサ部５４、６２は、燃料電池スタック１２が所定の締め付け荷重を付与された状態で、互いに隙間Ｈ３を有して離間している（図２参照）。
【００４１】
そこで、第１および第２金属セパレータ１８、２０に、例えば、各燃料電池１０の内部のガス圧力による変形、反りまたはうねり等が発生した場合、各スペーサ部５４、６２同士が接触する。従って、第１および第２金属セパレータ１８、２０や第１および第２シール部材５０、５８に過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
図６には、スペーサ部５４、６２を用いた本実施形態（実線参照）と、このスペーサ部５４、６２を用いない従来構造（点線参照）とにおいて、ガス圧力とリーク量との関係を検出した結果が示されている。
【００４３】
これにより、スペーサ部５４、６２を用いない従来構造では、燃料電池１０内のガス圧力が増大することによって、第１および第２金属セパレータ１８、２０やシール部分に変形が生じ、シール性が著しく低下した。これに対し、本実施形態では、スペーサ部５４、６２同士が互いに接触することにより、リーク量が有効に低減されて所望のシール機能を有することができた。
【００４４】
さらに、燃料電池スタック１２に対し積層方向に衝撃が発生する際には、スペーサ部５４、６２同士が互いに接触して荷重を受けることが可能になる。すなわち、図７に示すように、スタック締め付け荷重が増加する際、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６の分担荷重およびシール分担荷重が一定の関係を有して増加する。
【００４５】
そこで、燃料電池スタック１２に衝撃が発生すると、スペーサ部５４、６２同士が接触して前記スペーサ部５４、６２の分担荷重が増加するため、電解質膜・電極構造体１６の分担荷重（面圧）が有効に減少する。従って、車載時の衝撃等に対して電解質膜・電極構造体１６の面圧が上昇することを防止し、前記電解質膜・電極構造体１６の破損を有効に低減し得るという利点がある。
【００４６】
さらにまた、本実施形態では、第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して一体化される第１シール部材５０に、スペーサ部５４が一体的に設けられる一方、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して一体化される第２シール部材５８にスペーサ部６２が一体的に設けられている。これにより、第１および第２シール部材５０、５８の構成が簡素化するとともに、所望のシール機能を確実に保持することができる。
【００４７】
しかも、図２に示すように、第１シール部材５０は、第１金属セパレータ１８の面１８ａ側に突出する第１および第２突部５６ａ、５６ｂを設けるとともに、第１金属セパレータ１８の面１８ｂ側に突出する第３および第４突部５６ｃ、５６ｄを有している。その際、第１突部５６ａは、第２シール部材５８の第１平面部６４に密着し、第２突部５６ｂは、電解質膜・電極構造体１６の固体高分子電解質膜３６に密着する一方、第３および第４突部５６ｃ、５６ｄは、第２シール部材５８の第２平面部６６に密着している。
【００４８】
従って、第１および第２シール部材５０、５８は、スペーサ部５４、６２同士が密着する部分と、第１および第３突部５６ａ、５６ｃが配列される部分と、第２および第４突部５６ｂ、５６ｄが配列される部分との３箇所で、荷重を受けることができる。このため、特に車載時に、燃料電池スタック１２に急発進時や急停車時に衝撃が付与されても、荷重を確実に支持してシール機能の低下を可及的に阻止することが可能になる。
【００４９】
しかも、第１および第２金属セパレータ１８、２０の外周端部には、屈曲端部５２、６０に設けられている。これにより、第１および第２金属セパレータ１８、２０の外周端部が補強されて剛性が向上し、例えば、燃料電池スタック１２に対し積層方向に傾斜する外部荷重が作用しても、この外部荷重を確実に支持することができ、所望のシール機能を保持することが可能になる。
【００５０】
さらに、第１および第２金属セパレータ１８、２０の外周端部にスペーサ部５４、６２が設けられている。従って、第１および第２金属セパレータ１８、２０の外周端部の絶縁を行うことにより、前記第１および第２金属セパレータ１８、２０同士の電気的接触を良好に阻止することができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して両面１８ａ、１８ｂにスペーサ部５４を一体化するとともに、第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して両面２０ａ、２０ｂにスペーサ部６２を一体化しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１金属セパレータ１８の面１８ａにのみスペーサ部５４を設ける一方、第２金属セパレータ２０の面２０ｂにのみスペーサ部６２を設けてもよい。また、スペーサ部５４、６２を第１および第２シール部材５０、５８とは別体に構成し、前記スペーサ部５４、６２をそれぞれの屈曲端部５２、６０に、直接、接着等により取り付けることもできる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、金属セパレータに、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねり等が発生した際に、各金属セパレータに設けられているスペーサ部材同士が接触する。従って、金属セパレータに過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になる。
【００５３】
さらに、燃料電池を車載用として使用する際に、外部からの振動や衝撃等に対して摩擦力が増加し、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。しかも、車載時の振動や衝撃等に対して、スペーサ部材が荷重を良好に受けることが可能になり、電解質・電極構造体の面圧が上昇することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図６】スペーサ部の有無によるガス圧力とリーク量との関係説明図である。
【図７】スタック締め付け荷重と分担荷重との説明図である。
【図８】従来技術に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                    １２…燃料電池スタック
１６…電解質膜・電極構造体        １８、２０…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔        ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔        ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…固体高分子電解質膜          ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極              ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路                ５０、５８…シール部材
５２、６０…屈曲端部              ５４、６２…スペーサ部
５６ａ〜５６ｄ…突部              ６４、６６…平面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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