(57)【要約】【課題】反応ガス由来の凝縮水を燃料電池外部に効率よく排除することができる燃料電池、および燃料電池用セパレータを提供する。また、高い出力が安定的に得られる燃料電池および燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】セル積層体２１５の上面に、マニホールド接合部２５１よりも上面が突出した空気導入流路１５９を形成する。マニホールド接合部２５１にてセル積層体２１５と空気供給用第１マニホールド１６７とをシーラント２５７によって接合する。水溜部２５３から電池外部に連通するドレン２５５を設ける。【選択図】        図９
2004207082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極および該電極に挟持された電解質を有する燃料電池用セルが燃料電池用セパレータを介して複数個積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの上方に位置する面に設けられた外部マニホールドと、を有し、
前記燃料電池スタックの上方に位置する面と前記外部マニホールドの接触面より上方に前記燃料電池スタックの反応ガス流入口が位置することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの上方に位置する面の幅は前記接触面の幅よりも大きく、前記反応ガス流入口の位置する面と前記接触面との間に凝縮水回収領域が形成されてい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に記載の燃料電池において、前記外部マニホールドにはドレンが設けられており、該ドレンより上方に前記燃料電池スタックの反応ガス流入口が位置することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの積層方向に垂直な断面の形状が概ねＨ型の形状を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの上方に位置する面と前記外部マニホールドがガスシール材により機密性を確保されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
基板と、該基板上に設けられた矩形の流路形成領域と、前記流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の流路と、外部マニホールド中の反応ガスを前記流路に供給するための反応ガス導入部と、を有し、前記燃料電池用セパレータの形状がＨ型の形状を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
基板と、該基板上に設けられた矩形の流路形成領域と、前記流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の流路と、外部マニホールド中の反応ガスを前記流路に供給するための反応ガス導入部と、を有し、前記基板の端部に長手方向に突出した前記反応ガス導入部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記反応ガス導入部から供給された反応ガスの流路外への漏出を抑制するためのビードが前記基板表面に設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用および燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（１）
空気極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ（２）
【０００４】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
ここで、燃料極および空気極の外側にセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータにも酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。
【０００６】
ここで、燃料電池を家庭に普及させるためには、小型、軽量でかつ出力特性および安全性が高いことが求められるため、このような燃料電池スタックについて検討がなされている（特許文献１）。しかしながら、従来の燃料電池は、小型でかつ出力特性の高い燃料電池を実現するものとして充分とはいえなかった。
【０００７】
とくに、反応ガスは通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却され、大量の凝縮水が発生する。この凝縮水がセパレータの反応ガス供給孔上に堆積したり、反応ガス供給孔から反応ガス流路に浸入したりすると、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞される。このため、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２９４２６１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、反応ガス由来の凝縮水を燃料電池外部に効率よく排除することができる燃料電池、および燃料電池用セパレータを提供することにある。また、本発明の別の目的は、高い出力が安定的に得られる燃料電池および燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電極および該電極に挟持された電解質を有する燃料電池用セルが燃料電池用セパレータを介して複数個積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの上方に位置する面に設けられた外部マニホールドと、を有し、前記燃料電池スタックの上方に位置する面と前記外部マニホールドの接触面より上方に前記燃料電池スタックの反応ガス流入口が位置することを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１１】
反応ガス供給用のマニホールドでは、放熱により加湿器より導入された高露点の反応ガスが冷却され、凝縮水が大量に発生する。この凝縮水がマニホールドの壁面に沿って落下し、反応ガス流入口に直接入り込むと、反応ガスの流路が水で閉塞されて流れが阻害されるため、出力特性の低下を招く。本発明に係る燃料電池によれば、反応ガス流入口よりも下部に外部マニホールドとの接触面が形成されているため、凝縮水は反応ガス流入口よりも下方の接触面まで落下する。このため、凝縮水の反応ガス流入口への堆積が抑制されるため、反応ガスの供給を確実に行うことができる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックの上方に位置する面の幅は前記接触面の幅よりも大きく、前記反応ガス流入口と前記接触面との間に凝縮水回収領域が形成されている構成とすることができる。こうすることにより、外部マニホールドの壁面に沿って落下した凝縮水が、凝縮水回収領域に導かれる。このため、反応ガス流入口への凝縮水の堆積がさらに抑制される。
【００１３】
本発明の燃料電池において、前記外部マニホールドにはドレンが設けられており、該ドレンより上方に前記燃料電池スタックの反応ガス流入口が位置する構成とすることができる。こうすることにより、凝縮水回収領域に堆積した凝縮水がドレンより排出されるため、反応ガス流入口から反応ガス流路中に凝縮水が直接浸入することがより一層抑制される。このため、電池の出力特性が安定化する。
【００１４】
本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックの積層方向に垂直な断面の形状が概ねＨ型の形状を有する構成とすることができる。こうすることにより、４箇所の突出部を用いて燃料ガス、空気、または冷却水の供給を効率よく行うことができる。したがって、燃料電池の長手方向の長さを短くし、小型化することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池において、前記燃料電池スタックの上方に位置する面と前記外部マニホールドがガスシール材により機密性を確保されている構成とすることができる。こうすることにより、反応ガスや水の、外部マニホールドと燃料電池スタックとの間からの漏出が防止される。このため、反応ガスをさらに効率よく供給することができるとともに、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【００１６】
本発明によれば、基板と、該基板上に設けられた矩形の流路形成領域と、前記流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の流路と、外部マニホールド中の反応ガスを前記流路に供給するための反応ガス導入部と、を有し、前記燃料電池用セパレータの形状がＨ型の形状を有することを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。
【００１７】
本発明に係る燃料電池用セパレータはＨ型の形状であるため、４箇所の突出部を用いて燃料ガス、空気、または冷却水の供給を効率よく行うことができる。またこのとき、流路の端部全面に供給マニホールドが形成された構成とすることができる。こうすることにより、供給マニホールドの、流路と連通していない３方向から燃料ガス、空気、および水をそれぞれ供給することができる。そして、空気あるいは燃料導入部のいずれか一方を供給マニホールドの長手方向に形成することができるため、これらの反応ガスを流路の端部全面から供給することができる。こうすると、反応ガスを流路形成領域内に均一に供給することができ、また流路中に発生した凝縮水を効率よく除去することができる。
【００１８】
本発明によれば、基板と、該基板上に設けられた矩形の流路形成領域と、前記流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の流路と、外部マニホールド中の反応ガスを前記流路に供給するための反応ガス導入部と、を有し、前記基板の端部に長手方向に突出した前記反応ガス導入部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。
【００１９】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、反応ガス導入部が基板の端部に形成されており、基板の長手方向に突出している。こうすることにより、燃料電池用セパレータを積層してスタックを形成した際に、流路の長手方向を鉛直方向として、上部から下部にむかって反応ガスを供給しても、反応ガス流入口への凝縮水の堆積が抑制される。このため、燃料電池に好適に用いることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池用セパレータにおいて、前記反応ガス導入部から供給された反応ガスの流路外への漏出を抑制するためのビードが前記基板表面に設けられていることができる。こうすることにより、燃料電池用セパレータを積層してスタックを形成し、スタックの上部に外部マニホールドを設置した際に、反応ガスや水の外部マニホールドと燃料電池スタックとの間からの漏出が防止される。このため、反応ガスをさらに効率よく供給することができるとともに、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本実施の形態は、反応ガス供給用の外部マニホールドを有する燃料電池に関する。この燃料電池は、以下に述べるように、外部マニホールド内に生成した凝縮水が効率よく電池外部に排出される構成となっている。図１は、本実施の形態に係る燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。また図２は、図１の燃料電池スタックにマニホールドを接合した様子を示す斜視図である。
【００２２】
図１および図２に示されるように、燃料電池２２５は、空気導入流路１５９の突出した概ねＨ型の断面形状を有する。燃料電池２２５には、セル積層体２１５を中心に、外側に向かって順次それぞれ一対の集電板２０７、インシュレータ２０１、エンドプレート２１３が設けられ、最も外側にはタイプレート２１７が配置される。ここで、集電板２０７を設けることにより、セル積層体２１５で発電した電気を外部に取り出すことができる。また、エンドプレート２１３を設けることにより、セル積層体２１５を構成する各プレートの面内に均一な圧縮加重を加えることができる。
【００２３】
セル積層体２１５をはさむタイプレート２１７は、片側に２枚ずつ配置されている。タイプレート２１７には、両端にネジ部２２３が設けられたタイロッド２２１が貫通し、ナット２１９によって締め付けられる。こうすることにより、セル積層体２１５、集電板２０７、インシュレータ２０１、およびエンドプレート２１３が圧縮加重を印加された状態で一体化される。なお、インシュレータ２０１は絶縁性および燃料電池の運転温度に対する耐熱性を有する物質から選択することができ、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などを用いることができる。
【００２４】
セル積層体２１５の積層方向に対する断面は、矩形の長手方向の両端が短手方向に突出した形状、すなわち短手方向を縦に見てＨ型の形状である。そして、セル積層体２１５の上下には、二つの外部マニホールド、すなわち空気供給用第１マニホールド１６７および空気排出用第１マニホールド１６９が設けられ、空気の供給および排出が行われる。また、燃料電池２２５の周囲には断熱材（不図示）が設けられる。空気供給用第１マニホールド１６７は、セル積層体２１５の上方に位置する面に流動性を有するシーラントを塗布することにより接合される。シーラントの材料については、燃料電池の運転温度に対する耐熱性を充分有する物質であれば特に制限はないが、たとえばシリコン系のシーラントを用いることができる。
【００２５】
ここで、本実施の形態の燃料電池においては、空気供給用第１マニホールド１６７から導入された加湿空気は、セル積層体２１５上面に形成された空気導入流路１５９からセル積層体２１５内に導入される。図９は、セル積層体２１５の上方に位置する面に空気供給用第１マニホールド１６７を接合した様子を模式的に示す断面図である。
【００２６】
図９に示されるように、セル積層体２１５の上方に位置する面におけるマニホールド接合部２５１に、シーラント２５７によって空気供給用第１マニホールド１６７が接合されている。空気導入流路１５９の上面はマニホールド接合部２５１の上面よりも突出しているため、凝縮水は空気導入流路１５９の上面から速やかに水溜部２５３に排出され、堆積される。空気供給用第１マニホールド１６７には、水溜部２５３形成された位置に対応して、空気供給用第１マニホールド１６７の外部と連通するドレン２５５が形成されているため、水溜部２５３に滞留した凝縮水は、ドレン２５５から電池外部へと排出される。
【００２７】
なお、空気供給用第１マニホールド１６７は、水受部２６１およびドレン２５９を有し、また、マニホールド接合部２５１と空気導入流路１５９との間には水溜部２５３が形成されているため、空気供給用第１マニホールド１６７内で凝縮した水はまず水受部２６１に堆積し、凝縮せずに空気導入流路１５９に到達し、その上面で凝縮した水も水溜部２５３へと導かれる。
【００２８】
そして、セル積層体２１５を構成するセパレータの基板にシール部１３７を設けることにより、空気導入流路１５９から空気や凝縮水が電池外部へと漏洩することが抑制されている。
【００２９】
セル積層体２１５および空気供給用第１マニホールド１６７はこのような構成となっているため、空気流路内への凝縮水の浸入が抑制されており、優れた電池特性を発揮することができる。
【００３０】
空気供給用第１マニホールド１６７の材料については、燃料電池の使用温度に対する耐性を有する材料であれば特に制限はないが、たとえば、ポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂を用いることができる。
【００３１】
次に、図３を用いてセル積層体２１５の構成について説明する。図３では、スタック構成の例として２セル構造の場合を示している。セル５０の燃料極側に燃料極側セパレータ１０１、空気極側に空気極側セパレータ１４７を配設し、これを１セットとし、所定の数だけ積層することによりスタックが得られる。スタックの両端にはインシュレータ２０１およびエンドプレート２１３（図３では不図示）が外側に向かってこの順に設けられる。また、インシュレータ２０１に隣接する燃料極側セパレータには、燃料極側セパレータ１０１にかわり、冷却水流路の設けられていない燃料極側セパレータ１７１を用いてもよい。
【００３２】
ここで、燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７の構成について、図４〜図７を用いて説明する。
【００３３】
図４は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの基板１０３の構成を示す図である。基板１０３は、矩形の長手方向の両端が短手方向に突出した形状、すなわち短手方向を縦に見てＨ型の形状である。基板１０３の一方の面には図４（ａ）に示されるように燃料の流路が設けられ、他方の面には図４（ｂ）に示されるように冷却水の流路が設けられている。以下、それぞれの面について詳細に説明する。
【００３４】
図４（ａ）は、燃料の流路が設けられた側の基板１０３表面を示す図である。燃料は、燃料供給用第１マニホールド１０７から燃料導入流路１２５を経由して燃料供給用第２マニホールド１１５に至り、燃料供給用第２マニホールド１１５から燃料流路１０５に供給される。そして、燃料流路１０５を通過した燃料は、燃料排出用第２マニホールド１１７から燃料排出流路１２７を通って燃料排出用第１マニホールド１０９に至り、基板１０３外部に排出される。
【００３５】
また図４（ｂ）は、基板１０３表面のうち、冷却水の流路が設けられた側の表面を示す図である。冷却水は、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を経由して冷却水供給用第２マニホールド１１９に至り、冷却水供給用第２マニホールド１１９から冷却水流路１０６に供給される。そして、冷却水流路１０６を通過した燃料は、冷却水排出用第２マニホールド１２１から冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用第１マニホールド１１３に至り、基板１０３外部に排出される。
【００３６】
図４に示されるように、燃料供給用第２マニホールド１１５および冷却水供給用第２マニホールド１１９は、略矩形の形状となっており、流路に連通する辺以外の３辺が、それぞれ燃料ガス、冷却水、および第２の実施の形態で後述する空気の供給される辺となっている。また、第１マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向と、第２マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向が直交する構成となっている。さらに、第２マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向と、燃料流路１０５または冷却水流路１０６中の流れの方向も直交するようになっている。第１のマニホールドと流路との間に第２のマニホールドを設け、燃料ガスまたは冷却水の流れの方向をこのようにすることにより、限られたスペースの中で効率よく燃料および冷却水を供給することが可能となる。
【００３７】
ここで、燃料流路１０５または冷却水流路１０６は、矩形の領域に平行に設けられている。燃料流路１０５または冷却水流路１０６が形成された矩形の辺の比は、短手方向対長手方向がたとえば１対２〜１対４程度とすることができる。この理由は以下の通りである。
【００３８】
すなわち、限られたセパレータの大きさの中で、セパレータに供給される燃料ガスを効率よく反応に寄与させるためには、流路数を少なくし、流路を流れる燃料ガスの流速を大きくすることが好ましい。また、流路内に滞留する凝縮水を吹き飛ばし、排出する効果という観点では、流速が大きいことが好ましい。
【００３９】
以上をふまえて本発明者が検討した結果、上述の辺の比とすることにより、発電効率の高い燃料電池が実現できることが明らかになった。
【００４０】
次に、図５は、基板１０３を配設した燃料極側セパレータ１０１を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）および図４（ｂ）の面にそれぞれ対応している。燃料供給用第２マニホールド１１５、冷却水供給用第２マニホールド１１９、および冷却水排出用第２マニホールド１２１には突起１２３が形成されている。そして、燃料供給用第２マニホールド１１５および冷却水供給用第２マニホールド１１９には突起１２３を支持台として表面に薄板１４３が設けられる。冷却水排出用第２マニホールド１２１上には、突起１２３を支持台として、薄板１４５が設けられる。さらに、薄板１４３は燃料導入流路１２５の表面の一部にも設けられる。薄板１４３、薄板１４５には、たとえばＳＵＳ板等を用いることができる。また薄板１４３と薄板１４５の材料は同じものを用いてもよいし、異なるものとしてもよい。
【００４１】
このように、燃料極側セパレータ１０１においては、燃料または冷却水の供給側、すなわち燃料流路１０５または冷却水流路１０６より上流側には薄板１４３を用い、冷却水流路１０６より下流側には薄板１４５を用いている。薄板１４３および薄板１４５を設けることにより、後述するスタックを形成する際に、固体高分子電解質膜をシールする表面を平滑面とすることができる。すなわち、スタックを形成する際には、セルを構成する固体高分子電解質膜の端辺をシールし、セパレータと接合するが、第２のマニホールド上に直接シールした場合、段差を有する基板１０３表面と接合することになるが、薄板１４３または薄板１４５を設け、この表面に接合することにより、シールの確実性、信頼性が向上する。このとき、燃料供給用第２マニホールド１１５、冷却水供給用第２マニホールド１１９、および冷却水排出用第２マニホールド１２１には突起１２３が形成されているため、これら第２のマニホールドと金属板との間に、燃料または冷却水の流れる経路が確保される。そして、高価な薄板１４３を燃料流路１０５または冷却水流路１０６の上流側にのみ用いることにより、燃料流路１０５または冷却水流路１０６内に腐食成分等の不純物が混入することを防止し、下流側では安価な薄板１４５を用いてコストを削減することができる。このため、出力特性に優れた燃料電池を低コストで製造することが可能となる。
【００４２】
また、燃料流路１０５と燃料供給用第２マニホールド１１５とを連通させる燃料導入流路１２５においては、基板１０３に段差を設けることが好ましい。図１１は、燃料導入流路１２５から燃料供給用第２マニホールド１１５に向かう方向の基板１０３の断面図である。図１１に示されるように、燃料供給用第２マニホールド１１５には薄板１４３が設置されるため、燃料供給用第２マニホールド１１５の底部の深さを燃料導入流路１２５の深さまたは燃料流路１０５の深さと等しくすると、燃料供給用第２マニホールド１１５における燃料流路の深さがこれらに比べて浅くなる。
【００４３】
そこで図１１のように、薄板１４３の底部の位置から冷却水供給用第２マニホールド１１９の底部までの深さが冷却水流路１０６の深さａに等しくなるよう、流路が段差を有する構成とすることにより、燃料供給用第２マニホールド１１５における燃料流路の深さを燃料導入流路１２５または燃料流路１０５の深さと同程度とすることができる。こうすることにより、燃料ガスの供給量を増加させることが可能となる。なお、燃料ガスの排出側、また冷却水の供給側、排出側についても同様の構成とすることができる。
【００４４】
また、図４（ａ）および図５（ａ）において、燃料供給用第１マニホールド１０７と燃料供給用第２マニホールド１１５とを連通させる燃料導入流路１２５は、燃料流路１０５の形成方向に対して垂直ではなく、斜めに連結されている。このような構成とすることにより、燃料供給用第１マニホールド１０７から加湿された燃料ガスが供給された場合に、燃料導入流路１２５における凝縮水の滞留が抑制される。また燃料排出流路１２７においては、逆に燃料流路１０５から燃料排出流路１２７へと導入された燃料ガスに含まれる凝縮水をより速やかに効率よく燃料排出用第１マニホールド１０９へと導き、電池外部へと排出させることができる構成となっている。
【００４５】
次に、図４（ｂ）または図５（ｂ）に示されるように、冷却水流路１０６の周囲は、基板１０３表面にはシール材１３３が貼り付けられており、二本線状のビード１３５が形成されている。このため、本実施の形態に係るセパレータは積層してスタックを形成した際に、他のセパレータとの密着性が良好であり、ガスや水の漏出を好適に抑制することができる。シール材としては、たとえばＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン・ゴム）を用いることができる。また、基板１０３には、上述のシール部１３７が設けられている。
【００４６】
次に、一方の面に空気流路が設けられた燃料電池用セパレータの構成について説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの基板１４９の構成を示す図である。基板１４９は、第１の実施の形態に記載の基板１０３と同一の形状である。そこで、以下の説明は、基板１０３と異なる構成の部分を中心に行う。基板１４９の一方の面には図６（ｂ）に示されるように空気の流路が設けられ、他方の面は図６（ａ）に示されるように平滑面となっている。
【００４７】
次に、基板１０３の製造方法について説明する。図１２は、燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【００４８】
基板１０３は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合物から成形することができる。このとき、樹脂粉末が結着剤となるため、成形が容易であり、安価なプレートが得られる。カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との配合比は、たとえば重量比で１：１〜１９：１程度とすることができる。
【００４９】
図１２（ａ）は基板１０３の製造工程を、（ｂ）はその製造の様子を説明する説明図である。 図１２における「セパレータ」が基板１０３に対応している。図１２（ａ）に示されるように、まず、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して所定のコンパウンドを作成する（Ｓ１００）。ついで、このコンパウンドに２〜１０ＭＰａの範囲の面圧を加えて、予め最終成形形状に近似する形状に冷間成形する（Ｓ１０１）。続いて、その予備成形体を図１２（ｂ）に示すように、所定の最終形状を持つ金型２６５内に充填する（Ｓ１０２）。この状態で、金型２６５を１５０〜１７０℃に加熱昇温するとともに、プレス（不図示）を動作させる。このとき、図１２（ｂ）に示されるように、矢印ｆ方向から１０〜１００ＭＰａ、好ましくは、２０〜５０ＭＰａの範囲の面圧を加えることにより（Ｓ１０３）、金型２６５の形状に応じた最終形状のセパレータ２６３が製造される（Ｓ１０４）。
【００５０】
このようにして製造されるセパレータ２６３においては、コンパウンドを最終形状に近似する形状に予備成形した上、その予備成形体を金型２６５に充填し１５０〜１７０℃に加熱昇温しながら、１０〜１００ＭＰａ（好ましくは、２０〜５０ＭＰａ）の高い成形面圧を加えることで、熱硬化性樹脂が溶解するとともに熱硬化反応が起こり、成形体密度が大きい所定形状のセパレータ２６３に均質に成形することができる。
【００５１】
基板１４９についても基板１０３と同様に、燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３が形成されており、燃料または冷却水の通過経路が確保されている。
【００５２】
図６（ｂ）に示されるように、空気の流路が形成された面においては、空気供給用第１マニホールド１６７に供給された空気は空気導入流路１５９から空気供給用第２マニホールド１５５を経由して空気流路１５３に至る。そして、空気流路１５３を通過した空気は、空気排出用第２マニホールド１５７から空気排出用第１マニホールド１６９に至り、基板１４９外部に排出される。
【００５３】
また、図７（ａ）および図７（ｂ）は、基板１４９に薄板１４３および薄板１４５を配設した空気極側セパレータ１４７を示す図である。空気極側セパレータ１４７においても、燃料極側セパレータ１０１と同様に、空気流路１５３の上流には薄板１４３を用い、下流には薄板１４５を用いている。
【００５４】
なお、空気極側セパレータ１４７においても、基板１４９の空気流路１５３形成領域周辺にシール材１５１が被覆されているため、ビード１６５によりセパレータ１４７を積層した際の密着性が確保されている。
【００５５】
さらに、空気極側セパレータ１４７には電圧測定端子挿入部１６１が形成されている。このため、電圧測定端子挿入部１６１に電圧測定端子を挿入することによって、所定のセル間の出力をチェックすることが可能となる。
【００５６】
基板１４９は、基板１０３と同様にして作成することができる。
【００５７】
次に、図１の燃料電池に用いるインシュレータおよびエンドプレートの構成について説明する。図８は、インシュレータ２０１およびエンドプレート２１３の構成を示す図である。図８（ａ）に示されるように、インシュレータ２０１においては、基板２０３に燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３、突出部１６３が形成されており、片面にシール材（不図示）が設けられ、ビード２０５が形成されている。また、基板２０３の長手方向の辺から突出する集電板２０７が設けられており、電力を取り出すことができるようになっている。
【００５８】
また、図８（ｂ）に示すように、エンドプレート２１３についても同様に、基板２１１上に燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３、突出部１６３、ビード２０５が形成されている。
【００５９】
次に、セル５０の構成について説明する。図１０は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１０の断面構造を模式的に示す図である。燃料電池１０は平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ１０１およびセパレータ１４７が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ１０１やセパレータ１４７を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極２２および空気極２４とを有する。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。
【００６０】
燃料極２２側に設けられるセパレータ１０１にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ１４７にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、例えば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。
【００６１】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【００６２】
燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものを用いる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００６３】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００６４】
燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガス又は空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。
【００６５】
以下、セル５０の作製方法の一例を示す。まず、燃料極２２および空気極２４を作製するべく、白金などの触媒金属を、例えば含浸法やコロイド法を用いて触媒担持用炭素粒子に担持させる。こうして得られた触媒担持用炭素粒子と触媒金属との複合体を、触媒担持炭素粒子と呼ぶ。次に、得られた触媒担持炭素粒子とイオン交換樹脂とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する。
【００６６】
得られた触媒インクをガス拡散層となる例えばカーボンペーパーに塗布して加熱、乾燥させることにより、燃料極２２および空気極２４を作製する。塗布方法は、たとえば刷毛塗り、スプレー塗布、スクリーン印刷、ドクターブレード塗布、転写の技術を用いてもよい。続いて、固体高分子電解質膜２０を、燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０とで挟み、ホットプレスして接合する。これにより、セル５０が作製される。固体高分子電解質膜２０や、触媒層２６および触媒層３０におけるイオン交換樹脂を軟化点やガラス転移のある高分子材料で構成する場合、軟化温度やガラス転移温度を超える温度でホットプレスを行うことが好ましい。
【００６７】
セル５０の別の作製方法として、以下の例があげられる。触媒インクを直接、固体高分子電解質膜２０に塗布して加熱、乾燥させることにより、触媒層２６および触媒層３０を形成してもよく、塗布方法としては例えばスプレー塗布などの技術を用いてもよい。この触媒層２６および触媒層３０の外側にガス拡散層２８およびガス拡散層３２を配設し、ホットプレスを行うことでセル５０を作製してもよい。セル５０のさらに別の作製方法として、触媒インクをテフロン（登録商標）シートなどの上に塗布して加熱、乾燥させることにより、触媒層２６および触媒層３０を形成してもよく、塗布方法としては例えばスプレー塗布やスクリーン印刷などの技術を用いてもよい。続いて、テフロンシート上に形成した触媒層２６および触媒層３０を固体高分子電解質膜２０に対向させることで挟み、ホットプレスして接合する。その後テフロンシートを剥離し、触媒層２６および触媒層３０の外側にガス拡散層２８およびガス拡散層３２を配設してもよい。
【００６８】
図１に戻り、本実施の形態の燃料電池２２５は以上の構成となっているため、加湿空気由来の凝縮水の空気流路１５３への浸入が抑制されていると同時に小型軽量化がはかられている。また、燃料および冷却水は、供給側と排出側が流路に対し同じ側に形成されており、流路をまたぐことがないため、燃料電池２２５を横向きに倒して置いた場合にも、燃料または冷却水が効率よく循環し、燃料の通過経路内に凝縮水が堆積することが抑制される。また、空気は突出部１６３から供給されるため、加湿空気を用いた際にも凝縮水は突出部１６３の側方に流れ、流路への混入を抑制することができる。これらのことから、燃料電池２２５は高い出力を安定して発揮させることができる。また、凝縮水等の燃料電池２２５外への漏出も抑制され、安全性が高い。
【００６９】
本実施の形態の燃料電池において、セル５０の積層数に特に制限はないが、たとえば１００セルの積層体とすることができる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各製造工程の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００７１】
たとえば、上述の実施の形態においては、一のセル５０あたり、一の冷却水流路１０６が設けられた構成としたが、燃料電池をさらに薄型化する必要がある場合、冷却効率の確保できる範囲内で、たとえば二のセル５０あたり一の冷却水流路１０６を設ける等、積層形式の変更が可能である。
【００７２】
また、燃料極側セパレータ１０１または空気極側セパレータ１４７において、シール材１３３またはシール材１５１を流路の周囲に設ける面は、前述の面とは異なる面、すなわち燃料流路１０５の形成された面や、平滑面とすることもできる。
【００７３】
また、冷却水流路１０６は、燃料流路１０５の裏面に形成したが、空気流路１５３の裏面に形成してもよい。さらに、電圧測定端子挿入部１６１は空気極側セパレータ１４７に形成したが、燃料極側セパレータ１０１に形成してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、反応ガス由来の凝縮水を燃料電池外部に効率よく排除することができる燃料電池、および燃料電池用セパレータが実現される。また、本発明によれば、高い出力が安定的に得られる燃料電池および燃料電池用セパレータが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにマニホールドを接合した様子を示す斜視図である。
【図３】図１に示される燃料電池のスタックの構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの基板の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの基板の構成を示す図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【図８】実施の形態に係るインシュレータおよびエンドプレートの構成を示す図である。
【図９】図１の燃料電池のスタックの上方に位置する面に空気供給用第１マニホールドを接合した様子を模式的に示す断面図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池のセルの構成を示す図である。
【図１１】図４の燃料電池用セパレータの構成を説明するための図である。
【図１２】燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池、  ２０  固体高分子電解質膜、  ２２  燃料極、  ２４  空気極、  ２６、３０  触媒層、  ２８、３２  ガス拡散層、  ３８、４０  ガス流路、  ５０  セル、  １０１  燃料極側セパレータ、  １０３  基板、  １０５  燃料流路、  １０６  冷却水流路、  １０７  燃料供給用第１マニホールド、  １０９  燃料排出用第１マニホールド、  １１１  冷却水供給用第１マニホールド、  １１３  冷却水排出用第１マニホールド、  １１５  燃料供給用第２マニホールド、  １１７  燃料排出用第２マニホールド、  １１９  冷却水供給用第２マニホールド、  １２１  冷却水排出用第２マニホールド、  １２３  突起、  １２５  燃料導入流路、  １２７  燃料排出流路、  １２９  冷却水導入流路、  １３１  冷却水排出流路、  １３３  シール材、  １３５  ビード、  １３７  シール部、  １４３、１４５  薄板、  １４７  空気極側セパレータ、１４９  基板、  １５１  シール材、  １５３  空気流路、  １５５  空気供給用第２マニホールド、  １５７  空気排出用第２マニホールド、  １５９  空気導入流路、  １６１  電圧測定端子挿入部、  １６３  突出部、  １６５  ビード、  １６７  空気供給用第１マニホールド、  １６９  空気排出用第１マニホールド、  １７１  燃料極側セパレータ、  ２０１  インシュレータ、  ２０３  基板、  ２０５  ビード、  ２０７  集電板、  ２１１  基板、  ２１３  エンドプレート、  ２１５  セル積層体、  ２１７  タイプレート、  ２１９  ナット、  ２２１  タイロッド、  ２２３  ネジ部、  ２２５  燃料電池、  ２５１  マニホールド接合部、  ２５３  水溜部、  ２５５  ドレン、  ２５７  シーラント、  ２５９  ドレン、  ２６１  水受部、  ２６３  セパレータ、  ２６５  金型。
【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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