(57)【要約】【課題】電解質膜の場所によらず、均一のガスを供給可能な燃料電池を提供する。【解決手段】屈曲した高分子電解質膜２と同様に屈曲したセパレータ４ａ、４ｂを備える。そのため、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間の距離を均一にすることができ、高分子電解質膜２に燃料電池の発電で使用するガスを均一に供給することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的に屈曲した電解質膜を備えた燃料電池セルをセパレータを介して積層して構成した燃料電池において、
積層された前記燃料電池セルを分離する前記セパレータを、前記電解質膜との間隙が略同一となるように略同一形状に屈曲成形することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜と前記セパレータの間にガス拡散層を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質膜と前記セパレータは波形状に屈曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜と前記セパレータはＶ字状に屈曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電解質膜と前記セパレータは波形状に屈曲し、その一部に平坦部を備え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。
【請求項６】
屈曲した電解質膜を備えた燃料電池セルをセパレータを介して積層して構成した燃料電池において、
前記電解質膜と前記セパレータとの間に介在され、両者を電気的に接続する中空状の導電体フレームを備え、
前記導電体フレーム内の前記中空状の空間は、前記燃料電池セルの発電に必要な水素、または空気が流れるガス流路であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
セパレータの材料である黒鉛と加熱により硬化する樹脂を混練した混練物を平板状に成形し、その後屈曲形状を備えた型により加熱圧縮し、屈曲した前記セパレータを成形するセパレータ成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特に高分子電解質膜で均一な発電を行う燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の電解質層を波形状にし、電解質層の反応面積を広くし、電解質層での反応効率を高めるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平５−２９００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、波形状の電解質層の両側に平板状のセパレータ設け、集電体（ガス拡散層）は電解質層とセパレータの間に介在している。そのため電解質層とセパレータ間の距離が電解質層の形状に応じて異なり、集電体を通る水素や空気の流量は電解質層とセパレータ間の距離が短い箇所では、流量が少なく、電解質層とセパレータ間の距離が長い箇所では、流量が多くなる。また、集電体によって水素や空気の流れが弱くなり、電解質層の水素や空気の流量を均一にすることが困難である。そのため水素や空気の流量が電解質層の位置によって異なるので、電解質層での反応率を均一にすることができず、燃料電池の発電効率を低下させるといった問題点がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質層での発電反応率を均一にすることで、燃料電池の発電効率の低下を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、屈曲した電解質膜を備えた燃料電池セル積層した燃料電池において、各燃料電池セル間に、電解質膜と略同一形状に屈曲し、かつ電解質膜との間隙が略均一とするセパレータを備える。
【０００６】
セパレータの材料である黒鉛と熱硬化性樹脂を平板状に成形し、その後、電解質膜と略同一形状に屈曲した屈曲形状に加熱圧縮し、セパレータを成形する。
【０００７】
または、屈曲した電解質膜を備えた燃料電池セル積層した燃料電池において、積層された燃料電池セルを分離するセパレータと、電解質膜とセパレータを電気的に接続する中空状の導電体フレームを備える。そして、中空状の空間を燃料電池で使用する水素または空気が流れる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、屈曲した電解質膜と、セパレータを同一形状にするので、電解質膜とセパレータ間の距離が均一になり、供給される水素、空気が均一に拡がり、電解質膜の位置よらず電解質膜での反応率を均一にすることができる。
【０００９】
また、屈曲した電解質膜とセパレータの間に集電体を設けず、電解質膜とセパレータを中空状の導電体フレームで電気的に接続し、中空状の空間に燃料電池で使用する水素と、空気を流すので、水素と酸素が集電体による物理的抵抗なしに流れるので、均一に拡がり易く、電解質膜の位置よらず電解質膜での反応率を均一にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。この実施形態では、燃料電池セル１をセパレータ４ａ、４ｂを介して積層し、燃料電池スタックを構成する。燃料電池セル１は、波形状に屈曲したイオン導電性の高分子電解質膜２と、高分子電解質膜２の両側に設けられたガス拡散層３ａ、３ｂから構成される。
【００１１】
ガス拡散層３ａ、３ｂは、例えば黒鉛などから構成され、高分子電解質膜２との間に例えば白金などの触媒を担持している。この触媒は、高分子電解質膜２に塗布しても良い。ガス拡散層３ａ、３ｂは高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間に介在する。
【００１２】
セパレータ４ａ、４ｂは、例えば黒鉛に熱硬化性樹脂（例えば、フェノール、エポキシなど）を混練し、後述するような成形行程により、厚さが均一で高分子電解質膜２と同一の波形状に成形される。なお、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂは、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間隙が略均一なるように積層する。このため、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間に介在するガス拡散層３ａ、３ｂも高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂと同一の波形状である。また、セパレータ４ａ、４ｂには燃料電池の発電に使用される水素と、空気をガス拡散層３ａ、３ｂに供給するための水素流路５ａ、空気流路５ｂを片面もしくは両面に設けている。水素流路５ａ、空気流路５ｂは、ガス拡散層３ａ，３ｂに水素や空気が均一に拡がるように、ほぼ均一の間隔で設けられている。また燃料電池スタックの温度を調整する冷却水が流れる冷却水流路として使用しても良い。
【００１３】
このような構成にすることで、水素流路５ａ、空気流路５ｂを通る水素、または空気はガス拡散層３ａ、３ｂに供給され、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂ間の距離がほぼ均一、すなわちガス拡散層３ａ、３ｂの厚さが均一のため、水素、空気の流量がガス拡散層３ａ、３ｂでそれぞれほぼ均一になり、燃料電池の発電時に高分子電解質膜２全体で均一の電流密度を得ることができる。
【００１４】
次にセパレータ４ａ、４ｂの成形行程について図２（ａ）から（ｅ）の工程概略図を用いて説明する。
【００１５】
本発明では、加熱圧縮成形を行うが、複雑な形状のため予備成形（プリフォーム）を行い、段階的に成形する。
【００１６】
まず、図２（ａ）、（ｂ）に示す予備成形１では、セパレータの材料である黒鉛と熱硬化性樹脂を混練した粉末を凹型の下型１０に投入し（図２（ａ））、常温で平型もしくは凸型の上型１１によって圧縮成形を行い、黒鉛と熱硬化性樹脂を平板に成形する（図２（ｂ））。
【００１７】
次に、図２（ｃ）、（ｄ）に示す予備成形２では、予備成形１で成形した平板を波形状の下型１２投入し（図２（ｃ））、下型１２と同様に波形状の上型１３によって常温、または熱硬化性樹脂が反応（溶融）する温度である約１００℃程度で圧縮成形し、波形状に予備成形する（図２（ｄ））。この予備成形２で使用する下型１２、及び上型１３は、最終形状であるセパレータ４の波形状、つまり高分子電解質膜２とほぼ同一形状であるが、最終的な寸法精度を備えた型ではない。この予備成形２において予備成形１で成形した平板状の黒鉛と熱硬化性樹脂をセパレータ４の最終成形の波形状に近い形状に成形する。
【００１８】
そして、図２（ｅ）の本成形では、予備成形２で波形状を水素流路５ａ、または空気流路５ｂを成形する溝部１６を備え、セパレータ４の寸法精度を備えた波形状の下型１４に投入し、下型１４と同様に水素流路５ａ、または空気流路５ｂを成形する溝部１７を備えた上型１５によって加熱圧縮成形する。この加熱圧縮成形は、成形温度を熱硬化性樹脂が固まる温度である約１５０℃に設定する。熱硬化性樹脂が硬化することにより、水素流路５ａ、空気流路５ｂを備えたセパレータ４の最終形状に成形される。
【００１９】
このようにセパレータ４を成形する際に予備成形を行うことで、複雑な形状のセパレータ４を精度良く成形することができる。
【００２０】
なお、この実施形態では、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの形状を波形状をしたが、高分子電解質膜２の形状に合わせて、波形状の他に図３に示すように波形状の一部に平坦部１８を設けた形状、もしくは、図４に示すようにＶ字形状にしてもよい。
【００２１】
また、セパレータ４ａ、４ｂの材料として熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を用いても良い。また、導電性の金属セパレータを用いても良い。
【００２２】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２３】
セパレータ４ａ、４ｂの形状を高分子電解質膜２と略同一形状とし、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間隙を略均一とするので、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂの間に設けられたガス拡散層３ａ、３ｂで燃料電池の燃料となる水素と空気が均一に拡がり、高分子電解質膜２で均一な発電（反応）を行うことができ、燃料電池セル１の単位面積（投影面積）あたりの電流密度を増加させることができる。そのために、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００２４】
セパレータ４ａ、４ｂを高分子電解質膜２と同一形状とすることで燃料電池セル１を積層し、燃料電池スタックを構成した際に積層方向の厚さを薄くすることができる。
【００２５】
また、燃料電池セル１を積層し、締結する場合に、図示しないエンドプレートから圧接するが、高分子電解質膜２とセパレータ４ａ、４ｂが同一形状であり、その間隙が均一であるので、高分子電解質膜２に均一に力が働き、応力の集中による高分子電解質膜２の劣化を防止することができる。
【００２６】
次に本発明の第２実形態について図５、図６を用いて説明する。図５は燃料電池セル積層方向断面図であり、図６は、燃料電池セル積層方向断面の斜め上方矢視Ａ図である。第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。
【００２７】
この実施形態では、波形状に屈曲した高分子電解質膜２に白金などの触媒を塗布し、その両側に導電体フレーム２０を備える。さらに導電体フレーム２０の外側にセパレータ２５ａ、２５ｂを備える。このような構成によって、水素や空気が流れるガス流路の断面積が広くなり、また、水素や空気が流れる際に流れの抵抗となるガス拡散層を設けないために水素や空気が流れやすくなり、高分子電解質膜２に均一に水素や空気を供給しやすくなる。
【００２８】
導電体フレーム２０は、高分子電解質膜２の波形状に沿ったＶ字状の支持部２１と、Ｖ字の端部を接続し、支持部２１を略三角形の三角支持部２３とする底部２２と、セパレータ２５ａ、２５ｂと高分子電解質膜２とによって構成される空間２６内に設けられた複数の三角支持部２３を連結する円筒状の連結部２４によって構成される。すなわち導電体フレーム２０は中空の略三角柱をしており、導電体フレーム２０の内部は、水素や空気が流れる水素流路３０または空気流路３１として使用される。導電体フレーム２０は高分子電解質膜２とセパレータ２５ａ、２５ｂを電気的に接続する。
【００２９】
セパレータ２５ａ，２５ｂは、導電体フレーム２０によって支持されており、底部２２と軸２４と接触している。セパレータ２５ａ、２５ｂは燃料電池セル間を物理的に分離すると共に電気的に接続する。
【００３０】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３１】
ガス拡散層を設けずに、中空状の導電体フレーム２０を触媒を塗布した高分子電解質膜２に接触させ、導電体フレーム２０内を水素や空気の水素流路３０または空気流路３１のガス流路として使用するので、ガス流路面積が広くなり、水素や空気が流れやすくなるので、水素と空気が均一に拡がり、高分子電解質膜２で均一な発電（反応）を行うことができ、さらに燃料電池セル１の単位面積（投影面積）あたりの電流密度を増加させることができ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００３２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
燃料電池を使用する、特に燃料電池セルを多層に積層して使用する燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池の燃料電池セル積層方向断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態のセパレータを成形する工程図である。
【図３】本発明の第１実施形態の異なる燃料電池の形状を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の異なる燃料電池の形状を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態の燃料電池の燃料電池セル積層方向断面図である。
【図６】図５の矢視Ａ図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      燃料電池セル
２      高分子電解質膜
３ａ    ガス拡散層
３ｂ    ガス拡散層
４ａ    セパレータ
４ｂ    セパレータ
１８    平坦部
２０    導体フレーム
２１    支持部
２２    底部
２３    三角支持部
２４    連結部
【図１】
2005228703.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005228703.tif 000006
【図５】
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【図６】
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