(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極からなる単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給分配する手段と前記電極の他方に酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備する導電性セパレータを介して複数個積層した積層体からなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記積層体の一方の端部に第１のエンドプレート、他方の端部に第２のエンドプレートを配置し、
前記積層体、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートからなる組立体の外表面に螺旋状に巻回された線状部材により、前記積層体が締結されてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極からなる単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給分配する手段と前記電極の他方に酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備する導電性セパレータを介して複数個積層した積層体からなる高分子電解質型燃料電池であって、
前記積層体の一方の端部に第１のエンドプレート、他方の端部に第２のエンドプレートを配置し、
第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートの少なくとも一方に、前記積層体を積層方向に圧縮する弾性部材ならびに前記弾性部材を積層方向に押しつける補助プレートを配置し、
前記積層体、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、前記弾性部材および前記補助プレートからなる組立体の外表面に螺旋状に巻回された線状部材により、前記積層体が締結されてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記線状部材の端部が弾性部材を介して固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記補助プレートが弾性を有する金属板からなり、前記弾性部材を兼ねる請求項２記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記積層体が複数の線状部材により締結されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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などに使用される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
この種類の高分子電解質型燃料電池の概略部分断面図を図４に示す。
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜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（以下、単に「触媒層」ともいう。）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ガス拡散層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、電極２３と電解質膜３とからなる電極電解質膜接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）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板状の導電性セパレータ４が配されている。セパレータ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、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータ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。
２セル毎に配されるセパレータ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水流路２４が設けられている。このように冷却水を循環させることにより、反応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用される。
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の周囲には高分子電解質膜３を挟んでシール材１７やＯリング１８が配される。
【０００４】
また、別のシール方法を図５に示す。図５は、別の従来の高分子電解質型燃料電池の概略部分断面図である。図５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４との隙間をグリースや接着剤でシール（図示せず。）した構造もある。
さらに、近年では、高分子電解質膜３と同じ大きさの電極２３を用いたＭＥＡ２２を用い、図６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たものを用いることによって、セパレータ４との間のガスシール性を確保する方法も考案されている。図６は、また別の従来の高分子電解質型燃料電池の概略部分断面図である。
【０００５】
多くの燃料電池は、単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、積層電池では単電池１〜２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４〜６に示すように、単電池を構成するセパレータ４の背面、すなわち冷却水を流したい面に流路を形成し、セパレータ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、このシール方法ではＯリングを完全につぶすなどして冷却板の上下間で充分な導電性を確保する必要がある。
【０００６】
このような積層電池では、マニホルドと呼ばれる各単電池へのガス供給孔やガス排出孔、さらには冷却水の供給排出孔を、積層電池内部に確保したいわゆる内部マニホルド型が一般的である。
内部マニホルドを採用する高分子電解質型燃料電池の単電池積層体の概略斜視図を図７に示す。
図４に示す燃料電池と同様に、拡散層１、触媒反応層２、高分子電解質膜３およびセパレータ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マニホルド８、電池を冷却するための水を電池に供給する、またはこれを排出するマニホルド８’が形成されている。
しかし、内部マニホルド型では、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、電極被毒によって温度が低下し、その温度の低下が電極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現象を緩和するため、マニホルドから各単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ルド型も見直されている。
【０００７】
内部マニホ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、外部マニホルド型の燃料電池の場合、マニホ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く、一般的に、内部マニホルド方式に対してガスシールに対する信頼性が低い。
しかし、内部マニホルド方式の場合、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ルド孔にする必要がある。そのため、内部マニホルド方式では、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という問題があった。
【０００８】
いずれにしても、冷却部を含む多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端に２つのエンドプレートを配し、その２つのエンドプレート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エンドプレート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。これらのエンドプレート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、電流がエンドプレート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、積層電池全体をエンドプレート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。
さらに、図４〜６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、締結ロッドとエンドプレート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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の燃料電池では、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。そのため、シール材やシール部を上下のセパレータ板で挟みつけることによってシール効果を維持していく構造がとられ、比較的大きな締め付け力を恒常的に加える必要がある。しかし、エンドプレートや締め付けロッドなどの締め付け機構が長大になりがちで、重量が大きくなって燃料電池全体の軽量化を妨げるという問題がある。
さらに、複数の締め付けロッド締結時に締め付け力を管理しなければならず、組み付け工程の増加によってコストが上昇し、積層された電池に対する面圧のばらつきによって電池性能がばらつく原因となっていた。
また、長期間シール部や電極部に圧力がかかるため、構成部材が歪みを起こし、その結果シール部や電極に必要な面圧が低下するため、歪み量を吸収する機構が締め付け機構に必要とされ、締め付けロッド端部にバネを設置し締結する構成がとられている。このため小型化の障害となっていた。
本発明は、上記のような問題点に鑑み、小型で簡易な構成の積層電池の締め付け機構を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極からなる単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給分配する手段と前記電極の他方に酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備する導電性セパレータを介して複数個積層した積層体からなる高分子電解質型燃料電池であって、前記積層体の一方の端部に第１のエンドプレート、他方の端部に第２のエンドプレートを配置し、前記積層体、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートからなる組立体の外表面に螺旋状に巻回された線状部材により、前記積層体が締結されてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。
さらに、本発明は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟んだ触媒反応層を有する一対の電極からなる単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給分配する手段と前記電極の他方に酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備する導電性セパレータを介して複数個積層した積層体からなる高分子電解質型燃料電池であって、前記積層体の一方の端部に第１のエンドプレート、他方の端部に第２のエンドプレートを配置し、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートの少なくとも一方に、前記積層体を積層方向に圧縮する弾性部材ならびに前記弾性部材を積層方向に押しつける補助プレートを配置し、前記積層体、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、前記弾性部材および前記補助プレートからなる組立体の外表面に螺旋状に巻回された線状部材により、前記積層体が締結されてなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池にも関する。
前記燃料電池においては、前記線状部材の端部を弾性部材を介して固定するのが有効である。
また、前記補助プレートが弾性を有する金属板からなり、前記弾性部材を兼ねるのが有効である。
さらに、前記積層体を複数の線状部材により締結することも有効である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の最大の特徴は積層体の締め付け機構に線状部材を用いることであり、これにより、小型で簡易な構成の締結機構を実現し、かつ線状部材による締め付けによって組み立て工程の簡略化と積層された電池面内の面圧ばらつきを低減させることを可能とした。
すなわち、本発明の高分子電解質型燃料電池においては、導電性セパレータを介して複数個の単電池を積層した積層体を、線状部材により巻回することによって締結することを最大の特徴とする。これにより、燃料電池を構成する積層体において、エンドプレートなどの端部に位置する部材同士を拘束し、両者が離間するのを制限することができる。
したがって、例えば、前記積層体の一方の端部に第１のエンドプレート、他方の端部に第２のエンドプレートを配する場合、前記積層体、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートからなる組立体に線状部材を巻回し、線状部材の端部はいずれかのエンドプレートに固定すればよい。
前記線状部材を構成する材料としては、例えばピアノ線、硬鋼線、ＰＣ線、ＰＣ硬鋼線などの金属線があげられる。これらのなかでも、引張り強さが１０００Ｎ／ｍｍ2以上のものが好ましい。
また、線状部材の一方の端部は、巻回された線状部材の張力を調節できる機能を有する固定部材で固定するのが好ましい。例えば、線状部材の端部をコイルバネ、帯状ゴムなどの弾性部材と直列に接続し、弾性部材を固定部材に固定すればよい。固定部材としては、例えば金属板からなる基板上において、締付け部材となる金属板で線状部材または弾性部材を挟み、ネジで固定すればよい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池においては、第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートの少なくとも一方に、前記積層体を積層方向に圧縮する弾性部材ならびに前記弾性部材を積層方向に押しつける補助プレートを配するのが有効である。
このような構造を採用すると、積層体の面に対して均一に圧力をかけながら石積層体を締結することができる。また、線状部材を積層体の周囲に巻回するため、積層体中のセパレータの内側から締結力を印加することができる。したがって、セパレータの外側にロッドを設けて締結する方式に比べ、エンドプレートの変形を抑制することができる。
特に、前記補助プレートとしては、例えば板バネなどの弾性を有する金属板を用いるのが有効である。
さらに、本発明においては、前記積層体に複数の線状部材を巻回してもよい。この場合、積層体に対する締結力が面に対してより均一に印加されるという硬化を奏する。
以下に、図面を参照しながら本発明をより具体的に説明する。
【００１３】
《実施の形態１》
本実施の形態おける燃料電池を図１〜３を用いて説明する。特に、締め付け機構は図１に示されている。
図１において、単電池の積層体３０の上下にはエンドプレート３１および３２が配されている。出力端子（図示せず。）を有する単電池の積層体３０とエンドプレート３１および３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとした。エンドプレート３１、積層体３０およびエンドプレート３２は、線状部材３９により締め付けられている。すなわち、積層体３０を囲繞する形に巻回した線状部材３９、前記線状部材３９の端部を固定した固定部材３３、固定部材３３に設けたネジ穴に螺合させたネジ３５からなる締付け部材３５’により、電池積層体３０およびエンドプレート３１および３２が締め付けられている。
線状部材３９を積層体３０、エンドプレート３１および３２を囲繞するように巻回し、線状部材３９にしかるべき張力を与えた後、固定部材３３およびネジ３５により線状部材３９を固定する。線状部材３９にしかるべき張力を与えた後締結することで、エンドプレートを介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。
なお、本発明の燃料電池は、電極にガスを供給するためのガス供給口、ならびに冷却水供給口を有する。ガスおよび冷却水の排出口は、供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００１４】
つぎに、この実施の形態を具体化した例を以下に説明する。
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する（図２を参照）。炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子経：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液に、式（１）：
0004680338.tif 000002
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
【００１５】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液を混合し、触媒ペーストを得た。
一方、電極の多孔性基材、すなわちガス拡散層を構成するカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカーボン不織布（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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分間加熱することで、撥水性を与えた。
つぎに、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子経：５３ｎｍ、比表面積：３７ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量：２００ｃｃ／１００ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルロエチレンの混合比（重量）を８７：１３としたペーストを得た。このペーストを上述のように撥水処理をしたカーボン不織布の両面に塗布し、乾燥した後、４００℃で３０分間加熱することで、炭素微粉末層を形成した。このとき、炭素微粉末層の一部は、カーボン不織布の中に埋まり込んでいた。このようにして作製したカーボン不織布と炭素微粉末層を合わせてガス拡散層１とした。
【００１６】
スクリーン印刷法を用いて、前記炭素微粉末層の上に前述の触媒ペーストを塗布して触媒層２を形成した。このようにして作製した触媒層２、炭素微粉末層およびカーボン不織布を合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。この電極をアノード電極およびカソード電極の両方に使用した。
つぎに、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）３の両面に、１対の電極を、触媒層２が電解質膜３に接するようにホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。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４で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ４の厚さは４ｍｍであった。
【００１７】
以上の単電池を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としては、図２に示すように、一方の面に冷却水流路２４を配置し、他方の面にはガス流路６を配置したセパレータ４ａ、一方の面にガス流路５を配置し他方の面にガス流路６を配置したセパレータ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流路２４を配置したセパレータ４ｃから構成されるものを用いた。また、図３に示すように、ガスの供給口１１および１３と排気口１１’および１３’ならびに冷却水の供給口１２と排出口１２’は、互いに対向する辺に設けられている。なお、図３において線状部材などの詳細は省略した。
ガス流路５および６、ならびに冷却水流路２４は、切削加工によって、セパレータの表面に形成することができる。本実施例においては、図２に示すような形状で、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝をガス流路５としてセパレータの面に刻んで形成した。
【００１８】
このようにして電池構成単位を５０個積層した積層体の両端部に、金属製の集電板５２と電気絶縁材料からなる絶縁板５１、エンドプレート３１および３２を順に配した。さらに、この積層体の上下にエンドプレートを配し、図１〜３で説明した実施の形態の締結構造を設けた。すなわち、線径１ｍｍの金属線を線状部材３９として用い、エンドプレート３１および３２とを介して締結力を与える構造とした。線状部材３９には２３００ｋｇｆの張力を与え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。
本実施の形態によると、従来のセパレータ外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータの内側から締結力を印加することができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。
【００１９】
《実施の形態２》
本実施の形態おける燃料電池を図８、２および３に示す。特に、採用した締め付け構造は図８に示す。
単電池の積層体３０の上下にはエンドプレート３１および３２が配されている。出力端子（図示せず。）を有する単電池の積層体３０とエンドプレート３１および３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとした。エンドプレート３１、電池積層体３０およびエンドプレート３２は、線状部材３９により締め付けられている。すなわち、積層体３０を囲繞する形に巻回した線状部材３９、前記線状部材３９の端部を固定した固定部材３３、エンドプレート３２の底面に設けた凹部３６と対応させて設けた凸部３７にバネ３８を装着した補助プレート３４、固定部材３３に設けたネジ穴に螺合させたネジ３５からなる締付け部材３５’により、積層体３０ならびにエンドプレート３１および３２が締め付けられている。なお、バネ３８は皿バネであってもよい。
線状部材３９を積層体３０およびエンドプレート３１および３２ならびに補助プレート３４を囲繞する形に巻回し、線状部材３９にしかるべき張力を与えた後、固定部材３３およびネジ３５により線状部材３９を固定する。線状部材３９にしかるべき張力を与えた後締結することで、エンドプレートを介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。
なお、電極にガスを供給するためのガス供給口ならびに冷却水供給口に対応する排出口は供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００２０】
つぎに、この実施の形態を具体化した例を以下に説明する。
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する。炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子経：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液に、式（１）：
0004680338.tif 000003
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
【００２１】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液を混合し、触媒ペーストを得た。
一方、電極の多孔性基材、すなわちガス拡散層を構成するカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカーボン不織布（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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分間加熱することで、撥水性を与えた。
つぎに、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子経：５３ｎｍ、比表面積：３７ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量：２００ｃｃ／１００ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルロエチレンの混合比（重量）を８７：１３としたペーストを得た。このペーストを上述のように撥水処理をしたカーボン不織布の両面に塗布し、乾燥した後、４００℃で３０分間加熱することで、炭素微粉末層を形成した。このとき、炭素微粉末層の一部は、カーボン不織布の中に埋まり込んでいた。このようにして作製したカーボン不織布と炭素微粉末層を合わせてガス拡散層１とした。
【００２２】
スクリーン印刷法を用いて、前記炭素微粉末層の上に前述の触媒ペーストを塗布して触媒層２を形成した。このようにして作製した触媒層２、炭素微粉末層およびカーボン不織布を合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。この電極をアノード電極およびカソード電極の両方に使用した。
つぎに、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）３の両面に、１対の電極を、触媒層２が電解質膜３に接するようにホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。
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４で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ４の厚さは、４ｍｍであった。
【００２３】
以上の単電池を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２に示すように、一方の面に冷却水流路２４を配置し、他方の面にはガス流路６を配置したセパレータ４ａ、一方の面にガス流路５を配置し、他方の面にガス流路６を配置したセパレータ４ｂ、および一方の面にガス流路５を配置し、他方の面に冷却水流路２４を配置したセパレータ４ｃから構成されるものを用いた。また、図３に示すように、ガス路の供給口１１および１３と排気口１１’および１３’ならびに冷却水の供給口１２と排出口１２’は、互いに対向する辺に構成している。
ガス流路５、６および冷却水流路２４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２に示すような形状で、セパレータの面に刻んで形成した。
このようにして電池構成単位を５０個積層し、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、さらにエンドプレートを順に配して積層電池を作製した。この積層体の上下にエンドプレートを配し、図８、２および３で説明した実施の形態の締結構造とした。すなわち、線径１ｍｍの金属線(線状部材)３９、エンドプレート３１および３２、補助プレート３４ならびにバネ３８で締結力を与える構造とした。バネ３８のバネ常数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して１カ所あたり４００ｋｇｆの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータの圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。
本実施の形態によると、従来のセパレータ外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータの内側から締結力を印加することができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。
【００２４】
《実施の形態３》
本実施の形態おける燃料電池の締め付け構造を図９、２および３に示す。
単電池の積層体３０の上下にはエンドプレート３１および３２が配されている。出力端子（図示せず。）を有する積層体３０とエンドプレート３１および３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとする。エンドプレート３１、積層体３０およびエンドプレート３２は、弾性部材３９’を介して直列に接続された線状部材３９により締め付けられている。すなわち、これらを囲繞する形にかけられた線状部材３９、前記線状部材３９の端部を固定した固定部材３３、固定部材３３に設けたネジ穴に螺合させたネジ３５からなる締付け部材３５’により、積層体３０、エンドプレート３１および３２が締め付けられている。
線状部材３９を、積層体３０、エンドプレート３１および３２を囲繞する形に巻回し、線状部材３９にしかるべき張力を与えた後、固定部材３３およびネジ３５により線状部材３９を固定する。線状部材３９にしかるべき張力を与えた後締結することで、エンドプレートを介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。なお、電極にガスを供給するためのガス供給口および冷却水供給口に対応する排出口は、供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００２５】
つぎに、この実施の形態を具体化した例を以下に説明する。
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する。炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子経：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液に、式（１）：
0004680338.tif 000004
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
【００２６】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液を混合し、触媒ペーストを得た。
一方、電極の多孔性基材、すなわちガス拡散層を構成するカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカーボン不織布（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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分間加熱することで、撥水性を与えた。
つぎに、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子経：５３ｎｍ、比表面積：３７ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量：２００ｃｃ／１００ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルロエチレンの混合比（重量）を８７：１３としたペーストを得た。このペーストを上述のように撥水処理をしたカーボン不織布の両面に塗布し、乾燥した後、４００℃で３０分間加熱することで、炭素微粉末層を形成した。このとき、炭素微粉末層の一部は、カーボン不織布の中に埋まり込んでいた。このようにして作製したカーボン不織布と炭素微粉末層を合わせてガス拡散層１とした。
【００２７】
スクリーン印刷法を用いて、前記炭素微粉末層の上に前述の触媒ペーストを塗布して触媒層２を形成した。このようにして作製した触媒層２、炭素微粉末層およびカーボン不織布を合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。この電極をアノード電極およびカソード電極の両方に使用した。
つぎに、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）３の両面に、１対の電極を、触媒層２が電解質膜３に接するようにホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。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４で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ４の厚さは、４ｍｍであった。
【００２８】
以上の単電池を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２に示すように、一方の面に冷却水流路２４を配置し、他方の面にはガス流路６を配置したセパレータ４ａ、一方の面にガス流路５を配置し、他方の面にガス流路６を配置したセパレータ４ｂ、および一方の面にガス流路５を配置し、他方の面に冷却水流路２４を配置したセパレータ４ｃから構成されるものを用いた。また、図３に示すように、ガス流路の供給口１１および１３と排気口１１’および１３’ならびに冷却水流路の供給口１２と排出口１２’は、互いに対向する辺に構成している。
ガス流路５および６ならびに冷却水流路２４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、本実施の形態のガス流路５は、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を図２に示すような形状で、セパレータの面に刻んで形成した。
このようにして電池構成単位を５０個積層し、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、さらにエンドプレートを順に配して積層電池を作製した。
この積層体の上下にエンドプレートを配し、図９、２および３で説明した実施の形態の締結構造とした。すなわち、弾性部材３９’を介して直列に接続された線径１ｍｍの金属線（線状部材）３９とエンドプレート３１および３２で締結力を与える構造とした。線状部材３９には２３００ｋｇｆの張力を与え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。本実施の形態によると、従来のセパレータ板外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータ板の内側から締結力を印加することができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。
【００２９】
《実施の形態４》
本実施の形態おける燃料電池の締め付け構造を図１０、２および３に示す。
単電池の積層体３０の上下にはエンドプレート３１および３２が配されている。出力端子（図示せず。）を有する単電池の積層体３０とエンドプレート３１および３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとする。エンドプレート３１、積層体３０およびエンドプレート３２は、線状部材３９により締め付けられている。すなわち、これらを囲繞する形に巻回した線状部材３９、前記線状部材３９の端部を固定した固定部材３３、補助プレート３４、固定部材３３に設けたネジ穴に螺合させたネジ３５からなる締付け部材３５’により、積層体３０ならびにエンドプレート３１および３２が締め付けられている。ここで、補助プレート３４には、エンドプレート３２の底面に設けた凹部と対応させて凸部が設けられており（図示せず。）、凸部が凹部と嵌合する。また、補助プレート３４自体が板バネの機能を有する。
線状部材３９を電池積層体３０およびエンドプレート３１および３２ならびに補助プレート３４を囲繞する形に巻回し、線状部材３９にしかるべき張力を与えた後、固定部材３３およびネジ３５により線状部材３９を固定する。線状部材３９にしかるべき張力を与えた後締結することで、線状部材３９を支持している補助プレート３４が板バネとして機能し、歪み量に応じて締結力をエンドプレートを介して積層体３０に伝達する。その結果、エンドプレートが締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。なお、電極にガスを供給するためのガス供給口ならびに冷却水供給口に対応する排出口は、供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００３０】
つぎに、この実施の形態を具体化した例を以下に説明する。
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する。炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子経：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液に、式（１）：
0004680338.tif 000005
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
【００３１】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液を混合し、触媒ペーストを得た。
一方、電極の多孔性基材、すなわちガス拡散層を構成するカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカーボン不織布（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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分間加熱することで、撥水性を与えた。
つぎに、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子経：５３ｎｍ、比表面積：３７ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量：２００ｃｃ／１００ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルロエチレンの混合比（重量）を８７：１３としたペーストを得た。このペーストを上述のように撥水処理をしたカーボン不織布の両面に塗布し、乾燥した後、４００℃で３０分間加熱することで、炭素微粉末層を形成した。このとき、炭素微粉末層の一部は、カーボン不織布の中に埋まり込んでいた。このようにして作製したカーボン不織布と炭素微粉末層を合わせてガス拡散層１とした。
【００３２】
スクリーン印刷法を用いて、前記炭素微粉末層の上に前述の触媒ペーストを塗布して触媒層２を形成した。このようにして作製した触媒層２、炭素微粉末層およびカーボン不織布を合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。この電極をアノード電極およびカソード電極の両方に使用した。
つぎに、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）３の両面に、１対の電極を、触媒層２が電解質膜３に接するようにホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。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４で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ４の厚さは、４ｍｍであった。
【００３３】
以上の単電池を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２に示すように、一方の面に冷却水流路２４を配置し、他方の面にはガス流路６を配置したセパレータ４ａ、一方の面にガス流路５を配置し、他方の面にガス流路６を配置したセパレータ４ｂ、および一方の面にガス流路５を配置し、他方の面に冷却水流路２４を配置したセパレータ４ｃから構成されるものを用いた。また、図３に示すように、ガスの供給口１１および１３と排気口１１’および１３’ならびに冷却水の供給口１２と排出口１２’は、互いに対向する辺に構成している。
ガス流路５および６ならびに冷却水流路２４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２に示すような形状で、セパレータの面に刻んで形成した。
このようにして単電池を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、さらにエンドプレートを順に配して積層電池を作製した。この積層体の上下にエンドプレートを配し、図１０、２および３で説明した実施の形態の締結構造とした。すなわち、線径１ｍｍの金属線（線状部材）３９とエンドプレート３１、３２、補助プレート３４で締結力を与える構造とした。補助プレート３４が有する板バネ機能のバネ常数は５００ｋｇｆ／ｍｍであり、０．８ｍｍ圧縮して線状部材１本あたり４００ｋｇｆの締結圧力を加え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。本実施の形態によると、従来のセパレータ板外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータ板の内側から締結力を印加する事ができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。
【００３４】
《実施の形態５》
本実施の形態おける燃料電池の締め付け構造を図１１、２および３に示す。
単電池の積層体３０の上下にはエンドプレート３１および３２が配されている。出力端子（図示せず。）を有する単電池の積層体３０とエンドプレート３１および３２とは、特に図示していないが、絶縁手段によって電気的に絶縁されているものとする。エンドプレート３１、電池積層体３０およびエンドプレート３２は、複数の線状部材３９により締め付けられている。複数の線状部材を用いた他は、上記の実施の形態と同様である。
線状部材３９を電池積層体３０ならびにエンドプレート３１および３２を囲繞する形にかけ、線状部材３９にしかるべき張力を与えた後、固定部材３３およびネジ３５により線状部材３９を固定する。線状部材３９にしかるべき張力を与えた後締結することで、エンドプレートを介して積層体３０が締め付けられ、シール部や電極に必要な面圧がかけられる。電極にガスを供給するためのガス供給口ならびに冷却水供給口に対応する排出口は、供給口を有する側とは反対側の下面に設けられている。
【００３５】
つぎに、この実施の形態を具体化した例を以下に説明する。
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する。炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子経：３０ｎｍ、比表面積：２５４ｍ2／ｇ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液に、式（１）：
0004680338.tif 000006
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
【００３６】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた分散液を混合し、触媒ペーストを得た。
一方、電極の多孔性基材、すなわちガス拡散層を構成するカーボンペーパーを撥水処理した。厚み３６０μｍのカーボン不織布（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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分間加熱することで、撥水性を与えた。
つぎに、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子経：５３ｎｍ、比表面積：３７ｍ2／ｇ、ＤＢＰ吸油量：２００ｃｃ／１００ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレン含有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）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルロエチレンの混合比（重量）を８７：１３としたペーストを得た。このペーストを上述のように撥水処理をしたカーボン不織布の両面に塗布し、乾燥した後、４００℃で３０分間加熱することで、炭素微粉末層を形成した。このとき、炭素微粉末層の一部は、カーボン不織布の中に埋まり込んでいた。このようにして作製したカーボン不織布と炭素微粉末層を合わせてガス拡散層１とした。
【００３７】
スクリーン印刷法を用いて、前記炭素微粉末層の上に前述の触媒ペーストを塗布して触媒層２を形成した。このようにして作製した触媒層２、炭素微粉末層およびカーボン不織布を合わせて電極とした。電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。この電極をアノード電極およびカソード電極の両方に使用した。
つぎに、外寸の大きさを前述の電極より５ｍｍ大きくした水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）３の両面に、１対の電極を、触媒層２が電解質膜３に接するようにホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。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で挟み込んで単電池の構成とした。セパレータ板４の厚さは、４ｍｍであった。
【００３８】
以上の単電池を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２に示すように、一方の面に冷却水流路２４を配置し、他方の面にはガス流路６を配置したセパレータ４ａ、一方の面にガス流路５を配置し、他方の面にガス流路６を配置したセパレータ４ｂ、および一方の面にガス流路５を配置し、他方の面に冷却水流路２４を配置したセパレータ４ｃから構成されるものを用いた。また、図３に示すように、ガスの供給口１１および１３と排気口１１’および１３’ならびに冷却水の供給口１２と排出口１２’は、互いに対向する辺に構成している。
ガス流路５および６ならびに冷却水流路２４は、切削加工によって、セパレータの表面に形成する。例えば、本実施の形態のガス流路５は、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を図２に示すような形状で、セパレータの面に刻んで形成した。
このようにして電池構成単位を５０個積層し、両端部に金属製の集電板と電気絶縁材料からなる絶縁板、さらにエンドプレートを順に配して積層電池を作製した。
この積層体の上下にエンドプレートを配し、図１１、２および３で説明した実施の形態の締結構造とした。すなわち、３本の線径１ｍｍの金属線（線状部材）３９とエンドプレート３１および３２で締結力を与える構造とした。３本の線状部材３９にはそれぞれ５７５ｋｇｆの張力を与え、組立時の締結圧力を１３ｋｇｆ／ｃｍ2とした。感圧紙によりセパレータ板の圧力分布を調べたところ、全面にわたって均一な圧力分布となっていることが確認された。本実施の形態によると、従来のセパレータ板外側にロッドを配置して締結力を与える方法に比べ、セパレータ板の内側から締結力を印加する事ができるため、エンドプレートの変形が激減する。そのためエンドプレートの厚みを５ｍｍ以下にすることも可能である。なお、ここでは３本の線状部材を用いたが、特にこれに限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると、小型で簡易な構成の締結機構を実現し、かつ線状部材による締め付けによって組み付け工程の簡略化と積層された電池面内の面圧ばらつきを低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の概略斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の要部を示す概略縦断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池においてガスおよび冷却水の供給排出口の位置を示す図である。
【図４】従来の高分子電解質型燃料電池におけるシール方法を示す概略部分断面図である。
【図５】従来の高分子電解質型燃料電池における他のシール方法を示す概略部分断面図である。
【図６】従来の高分子電解質型燃料電池におけるさらに他のシール方法を示す概略部分断面図である。
【図７】内部マニホルド型の高分子電解質型燃料電池における電池構成単位の概略斜視図である。
【図８】本発明の別の実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の概略斜視図である。
【図９】本発明のさらに別の実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の概略斜視図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の概略斜視図である。
【図１１】本発明のさらに別の実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の概略斜視図である。
【符号の説明】
１            拡散層
２            触媒反応層
３            高分子電解質膜
４            セパレータ
５、６        ガス流路
１１、１３    ガス供給口
１１’、１３’ガス排出口
１２          冷却水供給口
１２’        冷却水排出口
１６          ガスケット
１７          シール材
１８          Ｏリング
１９          ガスケット
２１          樹脂
２２          ＭＥＡ
２３          電極
２４          冷却水流路
２５          シール部
３０          積層体
３１、３２    エンドプレート
３３          固定部材
３４          補助プレート
３５          ネジ
３５’        締付け部材
３８          バネ
３９          線状部材
３９’        弾性部材
【図１】
0004680338.tif 000007
【図２】
0004680338.tif 000008
【図３】
0004680338.tif 000009
【図４】
0004680338.tif 000010
【図５】
0004680338.tif 000011
【図６】
0004680338.tif 000012
【図７】
0004680338.tif 000013
【図８】
0004680338.tif 000014
【図９】
0004680338.tif 000015
【図１０】
0004680338.tif 000016
【図１１】
0004680338.tif 000017