(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、
前記膜電極接合体の外側であって隣接する前記セパレータの間に絶縁スペーサを設け、この絶縁スペーサは、その周縁を電池側面から突出させ、且つ、その板厚を前記膜電極接合体の板厚と同等にしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、
前記セパレータの周縁に絶縁体を設け、前記セパレータは、その周縁を階段状に形成し、且つ、該周縁の階段状部分にて絶縁体を前記膜電極接合体に接することなく保持することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、
前記各セパレータの周縁に、隣接するセパレータの間隔との関係において濡れ性を悪くすることでセパレータとセパレータとの間への水分の侵入を防止する撥水膜を当該セパレータの周縁を覆うように且つ隣接するセパレータの撥水膜と接しないように設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記絶縁スペーサまたは絶縁体の周縁における厚みを大きくして隣接する絶縁スペーサまたは絶縁体との間隔を小さくしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単セルをスタック構造にしたときにセパレータ間の短絡を防止する構造を持つ燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す組立図である。図９は、図８に示した固体高分子電解質型燃料電池のスタック状態を示す斜視図である。単セルを積層したスタック構造の燃料電池１００は、薄膜の固体高分子電解質膜１０２の両面に燃料極１０３と空気極１０４とを密着して設け、その両外面に拡散層１０５を張着することで膜電極接合体１０１を構成し、各膜電極接合体１０１の間にガス不透過性のセパレータ１０６を配置した構造である。拡散層１０５は、カーボンペーパーなどのガス透過性と導電性を備えた透気性導電性部材から構成されている。固体高分子電解質膜１０２には、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として用いたものや、パーフルオロスロホン酸樹脂膜などを用いている。
【０００３】
セパレータ１０６には、反応ガスを燃料極１０３および空気極１０４に供給すると共に残ガスと水蒸気を排出するための溝１０７が形成されており、一面の溝１０７には燃料ガスである水素が、他面の溝１０７には酸化剤となる空気が供給される。このセパレータ１０６は、たとえばグラッシーカーボンなどから構成されている。また、スタックした膜電極接合体１０１の両側には、電極（図示省略）が設けられている。
【０００４】
セパレータ１０６の溝１０７から燃料ガスおよび空気を供給すると、まず、燃料極１０３において燃料ガスが水素イオンと電子に分離され、この水素イオンが固体高分子電解質膜１０２中を移動し、その一方で前記電子が外部回路１０８に流れることになる。空気極１０４側では、固体高分子電解質膜１０２中を移動した水素イオンと、空気中の酸素と、隣接する膜電極接合体１０１で分離しセパレータ１０６内を移動してきた電子とが反応し、水が生成される。このような作用がスタックした膜電極接合体１０１全体で行われることで、両端の電極から電気を取り出すことが可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記固体高分子電解質型燃料電池１００では、膜電極接合体１０１をスタックすることでこれらを電気的に直列に接続しているが、膜電極接合体１０１間で電子を移動させる役割を持つセパレータ１０６のサイズが大きいため、電池の最外周面にセパレータ１０６が突出することになる。このため、作業者がスパナやドライバーなどの導電体Ｔを電池上に落下させたり、配線が接触すると、セパレータ１０６間が短絡してしまうという問題点があった。
【０００６】
このような問題に対して従来の固体高分子電解質型燃料電池１００では、絶縁シートなどでカバーすることで対処していたが、ウォッシャー液などの水分に対してはその侵入を十分に防ぐことはできなかった。特に、膜電極接合体１０１自体が薄いために隣接するセパレータ１０６の間隔が数ミリメートル程度となり、毛細管現象によって水分が積極的に侵入する結果になっていた。さらに、燃料電池の周囲に絶縁シートを巻きつけて固定するのは、製造に手間がかかるし、絶縁シート自体に水分が付着して短絡するおそれがある。また、このような問題は、上記固体高分子電解質型燃料電池のみならず、高温固体電解質型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、アルカリ型燃料電池およびリン酸型燃料電池においても同様である。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、導電体との接触による短絡を防止できる燃料電池を提供することを目的とする。また、水分による短絡を防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１にかかる燃料電池は、燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、前記膜電極接合体の外側であって隣接する前記セパレータの間に絶縁スペーサを設け、この絶縁スペーサは、その周縁を電池側面から突出させ、且つ、その板厚を前記膜電極接合体の板厚と同等にしたものである。
【０００９】
スタック構造の燃料電池のセパレータ間に絶縁スペーサを設けてこの絶縁スペーサを電池側面から突出させると、電池側面に放熱フィン状に絶縁スペーサが突出することになる。このため、燃料電池上にスパナなどの導電体が落下しても、絶縁スペーサにより阻止されてセパレータに接触することはない。このため、導電体との接触による短絡を防止することができる。
【００１０】
また、請求項２にかかる燃料電池は、燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、前記セパレータの周縁に絶縁体を設けたものである。そして、前記セパレータは、その周縁を階段状に形成し、且つ、該周縁の階段状部分にて絶縁体を前記膜電極接合体に接することなく保持することを特徴としている。
【００１１】
スタック状態でセパレータの周縁が燃料電池の電池側面となり、ここに導電体が接触して短絡を起こすことから、このセパレータの周縁に絶縁体を設けるようにした。このため、導電体が燃料電池上に落下などした場合であっても、その導電体がセパレータに接触することはない。このため、セパレータ間の短絡を防止することができる。
【００１２】
また、請求項３にかかる燃料電池は、燃料極と空気極の間に固体高分子電解質を挟んでなる複数の膜電極接合体と、この膜電極接合体の間に設けたセパレータとから単セルを構成し、この単セルを積層してスタックを形成した燃料電池において、各セパレータの周縁に、隣接するセパレータの間隔との関係において濡れ性を悪くすることでセパレータとセパレータとの間への水分の侵入を防止する撥水膜を当該セパレータの周縁を覆うように且つ隣接するセパレータの撥水膜と接しないように設けたものである。
【００１３】
セパレータとセパレータの間に水分が侵入することで、短絡が発生することになる。また、セパレータとセパレータとの間隔は、膜電極接合体程度であるため非常に狭い。そこで、このセパレータの周縁に濡れ性を悪くする面を設けることにより、水分の侵入を防止するようにした。この濡れ性を悪くしても、表面張力が働いてセパレータの間隔に侵入しないことが必要であるから、濡れ性は隣接するセパレータ間隔との関係で決定する必要がある。なお、濡れ性を悪化させるものとしてはテフロン加工や表面処理を挙げることができる。
【００１４】
また、請求項４にかかる燃料電池は、上記燃料電池において、さらに、前記絶縁スペーサまたは絶縁体の周縁における厚みを大きくして隣接する絶縁スペーサまたは絶縁体との間隔を小さくしたものである。水分防止の観点から、絶縁スペーサまたは絶縁体の間隔を小さくすることにより、当該絶縁スペーサまたは絶縁体との間隔を小さくし、水分の表面張力により当該水分が侵入しないようにした。これにより、セパレータ間の短絡をさらに防止することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる燃料電池およびその製造方法につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、この発明の上記１にかかる固体高分子電解質型燃料電池を示す組立図である。図２は、図１に示した固体高分子電解質型燃料電池の模式図である。セパレータ１０６および膜電極接合体１０１の構造に関しては、上記従来例と同じであるので説明を省略する。この固体高分子電解質型燃料電池１は、膜電極接合体１０１の周囲で且つ各セパレータ１０６間に絶縁スペーサ２を設けた構成である。この絶縁スペーサ２は、その外周サイズがセパレータ１０６よりも大きいことを要する。このため、この絶縁スペーサ２は、スタック状態で電池側面３ａから突出する。
【００２０】
絶縁スペーサ２は、膜電極接合体１０１およびセパレータ１０６をスタックする際に同時に挟みこむようにすればよい。膜電極接合体１０１は、高分子膜であるためスタックの締め付け力により厚みが変化する。この締め付け力が弱い場合には膜電極接合体１０１とセパレータ１０６との接触抵抗が大きくなり、締め付けすぎると膜電極接合体１０１を傷つけるおそれがある。このため、この絶縁スペーサ２に、スタックの締め付け力を好適な範囲に規制する機能を持たせるようにする。具体的には前記絶縁スペーサ２の板厚を、膜電極接合体１０１がセパレータ１０６と良好な電気的接触を保つことができる程度に規制し、それ以上に膜電極接合体１０１に締め付け力が伝わらないようにする。
【００２１】
絶縁スペーサ２の材料には、エポキシ、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＣ（ポリカーボネイト樹脂）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート樹脂）などを用いることができるが、これに限定されず絶縁材料として知られている材料から適宜選択して用いることができる。
【００２２】
以上、この固体高分子電解質型燃料電池１では、絶縁スペーサ２がセパレータ１０６面から突出し、電池の最外面３ｂが絶縁スペーサとなるから、スパナなどの導電体Ｔを電池上に落下させたりしてもセパレータ１０６間の短絡は起こらない。なお、上記構成が固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料電池にも適用できることはいうまでもない。また、前記絶縁スペーサ２は、各セパレータ１０６間毎に設けたが、これを一つおき、あるいは複数個おきに設けるようにしてもよい。
【００２３】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２にかかる固体高分子電解質型燃料電池を示す模式図である。この固体高分子電解質型燃料電池５は、セパレータ１０６の周縁に絶縁体６を設けた点に特徴がある。この絶縁体６には、上記同様のプラスチック材料を用いることができる。セパレータ１０６の周縁は段形状７に成形されており、当該部分で絶縁体６との固定を行う。この絶縁体６は、たとえば射出成形法によりモールド成形することができる。このセパレータ１０６周縁の段形状７は、機械加工や成形型の段階で予め形成しておく。
【００２４】
図４に、この絶縁体の形成に用いるモールド型の断面図を示す。セパレータ１０６をモールド型８内に固定し、湯道９から溶融状態のプラスチック材料を所定圧力で流し込む。このプラスチック材料が冷えたらモールド型８を取り外し、絶縁体６付きのセパレータ１０６とする。射出成形法によれば、絶縁体６を所望の形状に成形することができる。また、図示しないが、絶縁体６の形成方法としてディッピングを挙げることができる。ディッピングの際には、セパレータ１０６の一辺を絶縁材溶液に浸し、引き上げた後、乾燥させる。これを残りの三辺とも行い、絶縁体６付きのセパレータ１０６とする。この絶縁材溶液としては、シリコン樹脂接着剤などを挙げることができるが、これに限定されずディッピング可能な絶縁材料として知られている材料から適宜選択して用いることができる。ディッピング法によれば、絶縁体６を簡単かつ薄く成形することができる。
【００２５】
以上、この固体高分子電解質型燃料電池５によれば、絶縁体６によりセパレータ１０６を保護しているので、隣接するセパレータ１０６に渡って導電体Ｔが接触してもセパレータ１０６が短絡することはない。また、この絶縁体６は、燃料電池の上面のみ、あるいは上面および側面のみに設けるようにしてもよい。なお、上記同様、この発明が固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料電池にも適用できることはいうまでもない。
【００２６】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３にかかる固体高分子電解質型燃料電池を示す模式図である。この固体高分子電解質型燃料電池１０は、実施の形態１にかかる固体高分子電解質型燃料電池１と略同様の構成であるが、絶縁スペーサ１１の周縁１２に厚みを持たせた点が異なっている。たとえばセパレータ１０６はその厚さが１．８ｍｍ程度あるから、絶縁スペーサ１１の間隔Ｈ１は大きく水がかかってしまった場合は水が簡単に侵入する。そこで、この発明では、絶縁スペーサ１１の周縁１２に厚さを設けることにより、隣接する絶縁スペーサ１１との間隔Ｈ２を小さくし、水分Ｗの表面張力の作用により絶縁スペーサ１１間に水分Ｗが侵入しないようにした。
【００２７】
絶縁スペーサ１１の間隔Ｈ２は、水分Ｗが表面張力により侵入しない程度にするのが好ましいが、その寸法は絶縁スペーサ１１の濡れ性により変わるので、当該絶縁スペーサ１１の材料あるいは表面状態との関係から適宜決定すればよい。なお、この他の構成は実施の形態１と同じであるから説明を省略する。また、実施の形態２にかかる絶縁体６の厚さを大きくして、隣接する絶縁体６の間隔を小さくするようにすることもできる。上記構成にすることで、金属片などの導電体Ｔの接触による短絡、水分Ｗの侵入による短絡を防止することができる。
【００２８】
実施の形態４．
また、上記セパレータ１０６の周縁に撥水処理を施すことで、水分の侵入を防止すると共に絶縁を行うようにしてもよい。図６は、そのような固体高分子電解質型燃料電池を示す説明図である。この固体高分子電解質型燃料電池１５の撥水性材料には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルルエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）などのフッ素樹脂を用いることができる。撥水膜１６を形成するには、加熱溶融状態のフッ素樹脂浴にセパレータ１０６周縁をディッピングし、乾燥させることで、その表面にフッ素樹脂をコーティングすることができる。
【００２９】
セパレータ１０６の間隔Ｈ３は１ｍｍ以下であり、このセパレータ１０６の周縁に撥水膜１６を形成することで濡れ性を悪化させたので、セパレータ１０６の間に水Ｗが侵入するのを防止することができる。この撥水膜１６は、上記実施の形態２の絶縁体６上に形成するようにしてもよい。すなわち、この構成の固体高分子電解質型燃料電池１５では、金属片などの導電体との接触による短絡、水分Ｗの侵入による短絡を防止することができる。また、この撥水膜１６を絶縁スペーサ１１の間隔を小さくした場合（実施の形態３）の当該絶縁スペーサ１１の周縁に形成することで水分の侵入防止効果をさらに高めることができる。
【００３０】
また、上記実施の形態ではフッ素樹脂浴にディッピングすることで撥水膜１６を形成したが、シート状のフッ素樹脂を張り付けるようにしてもよい。なお、この実施の形態では撥水処理としてフッ素樹脂を被覆するものを例示したが、これ以外に、一般的な撥水性材料および撥水処理を適宜選択して使用することができる。たとえば表面改質により撥水性を持たせることや、グリスなどを塗布することで撥水性を持たせることなどを挙げることができる（いずれも図示省略）。
【００３１】
実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５にかかる固体高分子電解質型燃料電池を示す説明図である。この固体高分子電解質型燃料電池２０では、絶縁方法として絶縁塗料をスタックの表面３ａに塗布することで絶縁皮膜２１を形成し、絶縁性および防水性を得るようにした点に特徴がある。絶縁塗料としては、たとえばワニスを挙げることができる。この絶縁塗料を塗布することにより、セパレータ１０６の表面に絶縁皮膜２１が形成され、セパレータ１０６とセパレータ１０６の空間には絶縁塗料が侵入することで当該絶縁材料中に膜電極接合体１０１が埋没する。
【００３２】
絶縁材料は、はけによって塗るようにしてもよいし、スプレーガンで噴射することで塗布するようにしてもよい。このようにすれば、極めて簡単に絶縁処理を施せると共に高い防水性を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかる燃料電池（請求項１）では、セパレータの間に絶縁スペーサを設け、この絶縁スペーサを電池側面から突出させたので、導電体がセパレータに接触するのを阻止できる。このため、セパレータ間の短絡を防止できる。
【００３４】
また、この発明にかかる燃料電池（請求項２）では、スタック構造の燃料電池のセパレータ周縁に絶縁体を設けたので、セパレータに導電体が接触するのを防止することができる。このため、セパレータ間の短絡を防止することができる。
【００３５】
また、この発明にかかる燃料電池（請求項３）では、セパレータ周縁に濡れ性の悪い部分を設けて水分の侵入を防止するようにしたので、セパレータ間の短絡を防止することができる。
【００３６】
また、この発明にかかる燃料電池（請求項４）では、絶縁スペーサまたは絶縁体の周縁における厚みを大きくして隣接する絶縁スペーサまたは絶縁体との間隔を小さくしたので、セパレータ間の短絡を有効に防止することができる。
【００３７】
また、この発明では、燃料電池の外面に絶縁塗装を施すことで、導電対および水分との接触が阻止されて、セパレータ間の短絡を防止できる。
【００３８】
また、この発明では、セパレータをモールド型内に入れ、上記セパレータの絶縁体を射出成形法により成形することで、絶縁体を所望の形状に成形することができる。
【００３９】
また、この発明では、上記セパレータの絶縁体をディッピングにより形成することで、絶縁体を薄膜化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す組立図である。
【図２】図１に示した固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す一部拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態２にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。
【図４】絶縁体の形成に用いるモールド型を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態４にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態５にかかる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。
【図８】固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す組立図である。
【図９】図８に示した固体高分子電解質型燃料電池のスタック状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１、１０、１５、２０  固体高分子電解質型燃料電池
２  絶縁スペーサ
５  固体高分子電解質型燃料電池
６  絶縁体
８  モールド型
１１  絶縁スペーサ
１５  固体高分子電解質型燃料電池
１６  撥水膜
２０  固体高分子電解質型燃料電池
２１  絶縁皮膜
１０１  膜電極接合体
１０６  セパレータ
【図１】
0004822581.tif 000002
【図２】
0004822581.tif 000003
【図３】
0004822581.tif 000004
【図４】
0004822581.tif 000005
【図５】
0004822581.tif 000006
【図６】
0004822581.tif 000007
【図７】
0004822581.tif 000008
【図８】
0004822581.tif 000009
【図９】
0004822581.tif 000010