(57)【要約】【課題】  電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、電池の組み立てに際しては大きいが、完成した電池においては小さくなるような構成のシール手段を備えた燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  アノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなる燃料電池。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板を含むセルスタック、並びにアノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段を具備し、前記シール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、前記セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記伸縮性管が被シール部を囲む２本の伸縮性管からなり、外側の伸縮性管の硬度が内側の伸縮性管のそれより高く、伸縮性が小さい請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記伸縮性管のシール部位の少なくとも一部が前記セパレータ板に固定されている請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータ板が、シール部の外側に前記伸縮性管の外側への膨れを阻止する突部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記突部の伸縮性管に接するエッヂ部が曲面加工されており、そのエッヂ部の曲率半径が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セルスタックが、加圧ガス用マニホールド孔を有し、このマニホールド孔から前記伸縮性管の加圧用ガス吸入口にガスを注入するように構成された請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、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等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、反応ガスである水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その基本的な構造は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、およびその両面に配置されたアノードおよびカソードからなる。これをＭＥＡ（膜電極接合体）と呼ぶ。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、および触媒層の外面に配置された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
次に、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＳＡ（膜電極シール材接合体）と呼ぶ。ＭＥＳＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板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。
【０００４】
セパレータ板のガス流路に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入するが、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＳＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定し、まわりを断熱材で囲むのが一般的な積層電池の構造である。
【０００５】
このような高分子電解質型燃料電池のガスケットは、セパレータ板と電極との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度および／または十分な弾性とガスケット締め代が必要であった。そのため、従来のガスケットは樹脂やゴムでできたシート状の平ガスケットやゴムでできたＯリング等が用いられていた。
また、最近では特許文献１や特許文献２に見られるように、スタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化、および低コスト化を行うために、ガスケットのシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている。また、Ｏリング等ガスケットにある程度の断面積があるものは、ガスケットをセパレータ板側に構成した試みも行われている。
【０００６】
電解質膜を挟んでシールするＯリング等のガスケット構成では、Ｏリングで電解質膜をセパレータ板に押し付けることでシールを行う。そのためアノード側ガスシールとカソード側ガスシールとの二重ガスシール構成が必要であり、シール部位が大型化するという問題があった。さらに、Ｏリングが入る溝をセパレータ板に構成する必要があり、その溝寸法を確保するため、セパレータ板の厚さを薄くできない等の制約があった。そういった問題を鑑みて省スペースでのシール構成が試みられている。
【０００７】
一般的に用いられる電解質膜を挟んでシールするＯリングあるいは平形状のガスケット構成がある。Ｏリングでは、Ｏリングが入る溝をセパレータ板に構成する必要があり、その溝寸法を確保するためセパレータ板の厚さを薄くできない等の制約があった。そのため積層電池での体積の増大やコスト増、複雑なセパレータ板の形状が必要であるため、セパレータ板の加工時の歩留まりの悪化原因になっていた。
また、積層電池を組み付ける際、セパレータ板を下に置き、その上にＭＥＳＡあるいはＭＥＡを置き、その上にセパレータ板あるいはガスケットとセパレータ板を重ね、それを積み重ねていく工程をとる。その際、ＭＥＡの上に置くガスケットあるいはセパレータ板は、組み付け治具のガイドにより組み付けていた。しかし、各部品には寸法誤差があり、電極とガスケット、セパレータ板の組み付け性の観点から、ガスシール部と電極部の間には、作業性あるいは製造の歩留まり性を確保するためのクリアランスが必要であった。
【０００８】
クリアランスが小さい場合、組み付け時の信頼性が低く、シール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電極にシール部が当たったりして、電池性能の低下や、電極への過大な面圧が働き、電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こしていた。特に、ガスケットとＭＥＡの間のクリアランスは大きくとらなければ、組み付け性を確保できなかった。そのため、反応ガスがセパレータ板のガス流路とガスケットと電極との間のクリアランスを通り、バイパスしてしまうことがあった。ＭＥＡやガスケットの組み付け誤差等で周囲のクリアランスはセル毎にばらつき、各セル間の圧力損失ばらつきの原因となっていた。各セル間に圧力損失のばらつきがあった場合、積層電池において各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガスの流量にばらつきが生じる。その結果、電池性能がばらつき、発電電圧の低下、耐久性の低下、低出力運転時の安定性の低下等の弊害が生じた。これらの症状は、反応ガスの利用率が比較的大きい燃料ガス側で顕著であった。
【０００９】
また、それらのクリアランスを低減するため、ガスケットと電極間のクリアランスを少なくしていった場合、部品寸法の精度向上の必要性があり、歩留まりの低下や部品コストの上昇を招いていた。特に、成形セパレータ板では、組み立て時に利用するガイド部等の加工精度に限界があり、従ってガイド部の精度向上に限界があり、クリアランスを低減することが困難であった。そのためセパレータ板を成形後、ガイド部分を後加工で追加していた。その結果、コスト上昇を招いていた。
また、平形状のガスケットでは、ガスケットの占める体積は低減可能であるものの、上記の組付けに関する課題やクリアランス部の反応ガスのバイパスに関する課題は共通に存在する。さらに、シールに必要となる面圧を確保するために過大な締結力が必要となり、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、および低コスト化に対しての阻害要因となっていた。また、特許文献３では、締結力の低減および厚み方向のクリアランスの拡大を目的としてＯリングの代替としてチューブ状のシール材を用いている。しかし、ガスケット−電極間のクリアランスを通しての反応ガスのバイパスに対しては有効ではなかった。
【特許文献１】特開平１１−２３３１２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０８２号公報
【特許文献３】特開平１１−２３３１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、部品の加工精度などから限度がある。このクリアランスは、電池組立の作業性や歩留まりの点からは大きい方がよいが、クリアランス部を反応ガスがバイパスしてしまうという不都合がある。このように前記のクリアランスを小さくすることは困難であった。
本発明は、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、電池の組み立てに際しては大きいが、完成した電池においては小さくなるような構成のシール手段を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板を含むセルスタック、並びにアノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段を具備する燃料電池に関する。
本発明に係る燃料電池は、前記シール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、前記セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、アノード側およびカソード側の一対のシール手段の少なくとも一方が、セパレータ板の表面に配置された、加圧用ガス吸入口を有する伸縮性管のシール構造をとり、スタック締結後に伸縮性管にガスを加圧注入して変形させることにより、組み立て時に必要であったクリアランスを大幅に低減することが可能になる。このため、シールの信頼性が向上するとともに、量産時の歩留まりの向上および大幅なコスト低減が図れ、さらに電池のコンパクト化が図れる。また、反応ガスがクリアランス部をバイパスすることによる電池性能の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、アノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、前記セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなる点に特徴を有する。
【００１４】
上記のシール構造を適用することにより、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、電池の組み立てに際しては大きいが、完成した電池においては小さくすることができる。従って、シール性を確保し、信頼性の高い組み立てが可能になる。また、組付け時にセパレータ板に必要であるガイド部位の精度を低減できるから、セパレータ板への後加工を廃止し、製造時における歩留まりの向上を図ることができる。それに伴ってコストの低減が図れる。
一方、完成電池においては、前記のクリアランスを低減できるから、反応ガスのバイパスを低減し、電池性能の低下を防止することができる。
さらに、本発明によれば、ガスケットが占めるスペースの低減に伴い、スタック体積の低減およびスタック締結力の低減により、電池の軽量化、コンパクト化および低コスト化を図ることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態において、前記伸縮性管は、被シール部を囲む２本の伸縮性管からなり、外側の伸縮性管の硬度が内側の伸縮性管のそれより高く、伸縮性が小さい。
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記伸縮性管のシール部位の少なくとも一部は、前記セパレータ板に固定されている。
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記セパレータ板は、シール部の外側に前記伸縮性管の外側への膨れを阻止する突部を有する。前記突部は、伸縮性管に接するエッヂ部が曲面加工されており、そのエッヂ部の曲率半径が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明のさらに他の好ましい実施の形態において、前記セルスタックが、加圧ガス用マニホールド孔を有し、このマニホールド孔から前記伸縮性管の加圧用ガス吸入口にガスを注入するように構成されている。
【００１６】
本発明の特徴である伸縮性管について説明する。この伸縮性管体としての必要要件としては、（１）加圧ガスの注入により柔軟に変形すること、（２）化学的耐久性が高いこと、が挙がられる。これらを満たす材料としては、フッ素ゴム、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、およびそれらの複合材などである。
このような材料からなる伸縮性管をシール部位に、外側の伸縮性管の硬度が高く、伸縮性が小さくなるように複数本配設すると、次のような効果を得ることができる。
（i）二重のシールで高い信頼性が得られる。
（ii）内側の伸縮性管の変形を内方に向けさせ、より有効にクリアランスを低減し、反  応ガスのバイパスを低減することができる。
【００１７】
伸縮性管は、シール部位の少なくとも一部がセパレータ板に固定されていると、伸縮性管を複数本配設し、内側の伸縮性管を内方に向けて変形させるのと同様の効果が得られる。伸縮性管の固定には、粘着材層を用いるか、焼きつけにより固定するのがよい。
セパレータ板がシール部の外側に突部を有すると、伸縮性管が外側に膨れるのを防止することができる。また、伸縮性管を複数本配設した場合、内側の伸縮性管を内方に向けて変形させるのと同様の効果が得られる。前記突部の伸縮性管に接するエッヂ部が曲面に加工されていると、伸縮性管への機械的ダメージを低減し、耐久性を向上できる。セパレータ板の厚み、および電極とセパレータ板の間のクリアランスを考慮すると、エッヂ部の曲面に加工する際には、その曲率半径Ｒは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。
【００１８】
《実施の形態１》
図１は本実施の形態におけるアノード側セパレータ板の正面図、図２はセルスタックを図１のII−II線で切った断面図、図３は伸縮性管に加圧用ガスを注入した状態を示す図２と同じ断面図、図４はセルスタックを図１のIV−IV線で切った断面図である。
ＭＥＡ１０は高分子電解質膜１１、並びに高分子電解質膜１１を挟むアノード１２およびカソ−ド１３からなる。アノード１２およびカソード１３は、それぞれ触媒層１４および１５、ガス拡散層１６および１７からなる。アノード側セパレータ板２０は、黒鉛板または炭素粉末とバインダーの混合物を成形した炭素板からなり、各一対の燃料ガス用マニホールド孔２２、酸化剤ガス用マニホールド孔２５および冷却水用マニホールド孔２３を有する。アノード側セパレータ板２０は、さらに、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔２２を連絡する燃料ガスの流路２４を有し、背面には、一対のマニホールド孔２３を連絡する冷却水の流路２７を有する。図１の例では、ガス流路２４は、並行する４本の溝で構成されている。このガス流路２４のマニホールド孔２２と連絡する部分には、ガスケットが溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート２６が設置され、この部分のガス流路はトンネル状になっている。このカバープレートに関しては、例えば特開２０００−１３３２８９号公報に記載されており、これを引用する。
【００１９】
同様に、カソード側セパレータ板３０は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔を有し、さらに、カソードと対向する面に、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔を連絡する酸化剤ガスの流路３５を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水の流路３７を有する。
【００２０】
次に、シールのための伸縮性管について説明する。
まず、アノード側セパレータ板２０に装着されたアノード側の伸縮性管４０は、燃料ガスの流路２４を囲むように配置された管４６、各一対のマニホールド孔２２、２３、および２５を囲むように配置された管４２、４３および４５、加圧ガス用マニホールド孔２８を囲むように配置された管４８、並びにこれらの管を一体に連結する連結部から構成されている。この伸縮性管４０は、粘着剤層４１によりセパレータ板２０に接着されている。同様に、カソード側セパレータ板３０のカソードと対向する面には、伸縮性管５０が粘着剤層５１により接着されている。伸縮性管５０は、伸縮性管４０と同様に、カソードを囲む部分、各一対のマニホールド孔を囲む部分、加圧ガス用マニホールド孔２８と連通するマニホールド孔を囲む部分、およびこれらを一体に連結する部分からなる。
【００２１】
上記のように伸縮性管４０および５０を装着したセパレータ板２０および３０を用いて図２に示すようにセルスタックを組み立て、所定の締結圧で締結する。次いで、伸縮性管４０および５０に加圧ガスを注入し、これを膨張させてシール構造を確立させる。
図４を参照して、加圧ガス用マニホールド孔２８から伸縮性管４０および５０に加圧用ガスを注入する構造について説明する。アノード側セパレータ板２０の加圧ガス用マニホールド孔２８、カソード側セパレータ板３０の加圧ガス用マニホールド孔３８、およびこれらに対応して高分子電解質膜に設けられた加圧ガス用マニホールド孔をとおして加圧ガス供給源から加圧ガスが送り込まれる。一方、伸縮性管４０および５０の加圧ガス注入部４９および５９は、それぞれセパレータ板２０の孔２９およびセパレータ板３０の孔３９を貫通してセパレータ板の背面に開口している。そして孔２９および３９は前記の加圧ガス用マニホールド孔に連通しているから、２８および３８で表されている加圧ガス用マニホールド孔に供給された加圧ガスは、加圧ガス注入部４９および５９から伸縮性管４０および５０に注入され、管４０および５０を膨張させる。
【００２２】
管４０および５０が適度に膨張することにより、図３に示すように、高分子電解質膜１１とこれを挟むアノード側セパレータ板２０およびカソード側セパレータ板３０との間が気密に封じられ、ガス流路２４および３５並びにアノード１２およびカソード１３に供給される反応ガスは外部へ漏洩することがない。
アノード側セパレータ板２０とカソード側セパレータ板３０との間には、冷却水の流路２７と３７が向き合って１つの冷却水の流路を形成する。この流路に流れる冷却水および加圧ガス用マニホールド孔に供給されるガスが外部へ漏洩するのを防止するために、セパレータ板２０と３０との間にはＯリング５５などが設置されている。
【００２３】
《実施の形態２》
本実施の形態にかかる電池の要部の断面図を図５および６に示す。図５は伸縮性管に加圧ガスを注入していない状態を示し、図６は伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。本実施の形態では、セパレータ板２０および３０の外周縁部に突部２６および３６を設けた他は実施の形態１と同じである。突部２６および３６により、伸縮性管４０および５０がセパレータ板より外側へ膨れるのを防止する。
【００２４】
《実施の形態３》
本実施の形態にかかる電池の要部の断面図を図７および８に示す。図７は伸縮性管に加圧ガスを注入していない状態を示し、図８は伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。本実施の形態では、実施の形態１の伸縮性管４０および５０の代わりに、それぞれ２本の伸縮性管４０ａ、４０ｂおよび５０ａ、５０ｂを用いた。外側の管４０ｂおよび５０ｂはゴム硬度の高いフッ素ゴム製のもの、内側の管４０ａおよび５０ａは硬度の低いフッ素ゴム製のものを用いた。この実施の形態によれば、シール構造が二重になった効果と、外周部の伸縮性管の硬度が内側のそれより高いため、内側の伸縮性管の変形が図８に示すようにＭＥＡ側に向けた変形に限定される効果が得られる。
【００２５】
《実施の形態４》
本実施の形態にかかるアノード側セパレータ板の正面図を図９に示す。このアノード側セパレータ板１２０は、黒鉛板または成形した炭素板からなり、各一対の燃料ガス用マニホールド孔１２２、酸化剤ガス用マニホールド孔１２５および冷却水用マニホールド孔１２３を有する。アノード側セパレータ板１２０は、さらに、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔１２２を連絡する燃料ガスの流路１２４を有し、背面には、一対のマニホールド孔１２３を連絡する冷却水の流路を有する。
【００２６】
アノード側セパレータ板１２０のアノードと対向する面には、燃料ガスの流路１２４を囲むように配置された、アノード側の伸縮性管１４０が粘着剤層により取りつけられている。一方、各一対のマニホールド孔１２２、１２３、および１２５の周囲には、Ｏリング１４２、１４３および１４５が、各々のマニホールド孔を囲む溝に装着されている。また、伸縮性管１４０の加圧ガス注入部にガスを注入するための加圧用ガスのマニホールド１２８を囲むようにように設けられた溝にはＯリング１４８が装着されている。ガス流路１２４のマニホールド１２２と連絡する部分には、ガスケットが溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート１２６が設置され、この部分のガス流路はトンネル状になっている。Ｏリング１４２は、一部がカバープレート１２６上にまたがって配置されている。
ここでは、アノード側セパレータ板について説明したが、カソード側セパレータ板についても同様の構成にすることができる。加圧用ガスのマニホールド１２８から伸縮性管１４０の加圧ガス注入部にガスを注入するためのガスの通路については、実施の形態１と同様に構成できることは当業者には容易に理解できよう。
【００２７】
以上の実施の形態においては、アノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段の双方を、本発明による加圧用ガス吸入口を有する伸縮性管で構成した。しかし、前記一対のシール手段の一方にのみ本発明の伸縮性管を適用することもできる。
電池の組み立ては、通常、ガイドピンを立てた組み立て用治具の上に、一方のセパレータ板、ＭＥＡ、および他方のセパレータ板をその順に組み付けることにより行われる。シール手段の一方にのみ本発明の伸縮性管を適用するときは、このような組み付け方法を採る場合、伸縮性管は、ＭＥＡの上に組み付けるセパレータ板側に取りつけてるのがよい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例１》
炭素粉末であるアセチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック、粒径３５ｎｍ）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のＤ１）と混合し、乾燥重量としてＰＴＦＥを２０重量％含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰＨ０６０Ｈ）の片面に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて３００℃で熱処理し、厚さ約２００μｍのガス拡散層を形成した。
【００２９】
一方、炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ、粒径３０ｎｍ）上にＰｔ触媒を５０重量％担持させた触媒体６６重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製の５重量％Ｎａｆｉｏｎ分散液）３３重量部（高分子乾燥重量）と混合し、得られた混合物を成形して厚さ１０〜２０μｍの触媒層を形成した。
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に接合し、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。高分子電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同じとし、高分子電解質膜には後述する燃料ガス用、冷却水用、および酸化剤ガス用のマニホールドに対応した大きさの孔を打ち抜き型により加工した。
【００３０】
本実施例では、実施の形態１にかかる構成の高分子電解質型燃料電池を作製した。この燃料電池の各構成要素の構造を説明する。
まず、セパレータ板について説明する。ガス不浸透性の等方性黒鉛板（厚さ３ｍｍ）に機械加工により燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各マニホールド孔、並びにガス流路および冷却水の流路を形成した。アノード側セパレータ板は、図１に示すように、並行する４本の溝（溝幅１．５ｍｍ）からなるガス流路を有し、背面には並行する６本の溝からなる冷却水の流路を有する。カソード側セパレータ板は、一方の面に並行する７本の溝からなるガス流路を有し、他方の面には並行する６本の溝からなる冷却水の流路を有する。
【００３１】
次に、一対のガスケットを構成する伸縮性管４０および５０はフッ素ゴム製で、図１に示すように、ＭＥＡの周囲および各マニホールド孔を隔離できるようにセパレータ板に配設した。無加圧時の伸縮性管の外径は０．５ｍｍ、肉厚０．１ｍｍであった。これらの伸縮性管は、すべて連結されている。管のセパレータ板への固定は厚さ２５μｍのブチルゴム粘着剤層で行った。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが伸縮性管の中心より片側で０．５ｍｍとなるようにした。
次に、これらの伸縮性管を接合したセパレータ板により、電極面積１００ｃｍ2のＭＥＡを挟み、図２に示すような単電池を構成した。隣接する単電池間には、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とで形成される、冷却水を流す冷却部を設けた。そして、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との間にはＯリングを介在させて、冷却水の漏洩を防止するようにした。
【００３２】
セルスタックの組み立て手順を以下に説明する。
ガイドピンを立てた組み立て用治具を置き、その上に伸縮性管を付けたセパレータ板を置く。次に、ＭＥＡをガイドピンにそってセットする。その際、ＭＥＡのガス拡散層が、伸縮性管で囲まれた電極セット用領域からはみ出して伸縮性管に乗り上げないよう慎重に組み付けた。ＭＥＡをセットした後に、もう一方のセパレータ板を組み付ける。セパレータ板は不透明であるため、ＭＥＡのガス拡散層と伸縮性管が接する様子を目視できないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行った。
以上のようにして単電池を５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、ステンレス鋼製の端板と締結ロッドで、６００ｋｇｆの締結荷重で締結した。次に、図３のように伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の当たりを確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【００３３】
このようにして作製した積層電池についてリークチェックを行った。カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。このときのリークチェックは、流路の出口側マニホールドを締め切り、入口側マニホールドからＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、封止後の圧力変化で評価した。
【００３４】
《比較例１》
従来の平形状断面を有するガスケットをシールに用いた。
図９はガスケットをセットしたアノード側セパレータ板の正面図であり、図１０はその要部の断面図である。ガスケット６０は、ＭＥＡのアノードをセットすべき中央部分、並びに燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のマニホールド孔部分を切り欠いた平板状である。カソード側セパレータ板に装着されるガスケットも同様の構成を有する。この他は実施例１と同様の構成である。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが平面状ガスケットの端部より片側で０．２ｍｍとなるようにした。セルスタックの組み立ては、組立治具により実施例１と同様に行った。
単電池を５０セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は４０００ｋｇｆで、ＭＥＡにかかる面圧が１０ｋｇｆ／ｃｍ2であったため、締結は４０００ｋｇｆで行った。その結果、一部のセルにおいてガスの外部リークやカソード側からアノード側へのガスのクロスリーク、あるいはその両方が発生し、シール不良が生じた。リークチェック条件は実施例１と同条件である。
【００３５】
《比較例２》
ここでは、従来の平形状断面を有するガスケットをシールに用い、かつ電極のガス拡散層とのクリアランスを大きくした例を説明する。ガスケットと電極とのクリアランスを片側で０．５ｍｍとした以外は比較例１の構成と同じである。セルスタックの組み立ては、組立治具により同様に行った。単位電池を５０セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は４０００ｋｇｆでＭＥＡにかかる面圧が１０ｋｇｆ／ｃｍ2であったため、締結は４０００ｋｇｆで行った。その結果、カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。リークチェック条件は実施例１と同条件である。
【００３６】
以上の実施例１および比較例１、２の電池のリークチェック後、分解したところ、全電池ともにＭＥＡのアノード側ガス拡散層がアノード側用ガスケットの中心から多少ずれて組み付けられていた。しかし、実施例１と比較例２の電池では、シールする部位がガス拡散層よりも十分な余裕をもった外側にあるため、組み付け時のガス拡散層のずれ範囲ではシール性が確保可能であった。一方、比較例１の電池では、同様にガス拡散層とガスケットがずれていたが、平形状断面を有するガスケットでは、一部でもガス拡散層がガスケットに乗り上げるとシール性が損なわれ、シール不良を招くことがわかった。
【００３７】
単電池の組み立てでは、ＭＥＡをセットした後に、もう一方のセパレータ板を組み付ける。この際、ＭＥＡのガス拡散層がガスケットの中心にセットされることが望ましいが、治具のクリアランス、ＭＥＡの寸法誤差、セパレータ板の寸法誤差の集積により、位置ずれが発生する。ＭＥＡのガス拡散層とガスケットが接する様子を目視できれば安定した組み付けが可能であるが、セパレータ板は不透明であるためその部分の目視ができず、ガイドピンにしたがって組み付けることとなる。
従来の平形状断面を有するガスケットであれば、想定される位置ずれの上限付近では、ガス拡散層がガスケットに乗り上げ、シール性を確保できない。組み付け性を向上させるため、クリアランスを大きくとれば、ガスがそのクリアランスを通り、電極に供給されなくなるため、発電性能が低下するのである。
【００３８】
一方、本発明の伸縮性管からなるガスケットを用いた場合は、寸法ずれによりガス拡散層がずれても、ガスケットとガス拡散層とのクリアランスが十分にあるため、シール性は確保可能となる。さらに、組み立て時に大きくとっていたクリアランスも、セルスタックを締結した後に加圧ガス用マニホールドより伸縮性管内にガスを注入してこれを膨張させると、ガス拡散層とのクリアランスを減少させることが可能になる。
さらに、シール部位が垂直方向に並んでいるため、シール材を締結していった際に電解質膜やセパレータ板へせん断力や曲げモーメントが働かない。そのため、電解質膜やシール材自体は勿論、セパレータ板等へのストレスがなく、材料破損の危険性を無くすことが可能である。
【００３９】
次に、実施例１と比較例２の高分子電解質型燃料電池を、７５℃に保持し、アノード側に７０℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に６０℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、両電池とも電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。クロスリーク、ショート等の不具合がないことが確認された。
上記の電池を燃料利用率８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2、燃料ガスの加湿を露点７０℃、酸化剤ガス側の加湿を６５℃とし、酸化剤ガス利用率を２０％から５％刻みで変更する条件で発電を開始し、各条件でそれぞれ１２時間発電させた。そのときの電池電圧と、１２時間発電中の最小電圧と最大電圧とをエラーバーで図１２に示した。その結果、比較例２の積層電池は、酸化剤ガス利用率が４０％以上の条件で出力電圧が不安定となり、５０％の酸化剤ガス利用率では出力電圧の低下が確認された。それに対して実施例１の電池は、６５％の酸化剤ガス利用率まで安定した出力電圧が確認された。
【００４０】
このことから、比較例２の電池におけるような、カソード側のガス拡散層とガスケットの間のクリアランスでは、そのクリアランスに反応ガスがバイパスし、電池性能を維持するに必要な量の反応ガスを電極部へ供給できていないことが確認された。それに対して実施例１のガスケット構成では、組付け時のガス拡散層とガスケットとのクリアランスは大きいが、上述したようにガス注入により伸縮性管が変形してガス拡散層とガスケットとのクリアランスが低減するので、反応ガスのバイパスを低減し、電池性能の低下を防止することが可能である。
【００４１】
《実施例２》
図７に示すように２本の伸縮性管を配設したこと以外は実施例１と同様の積層電池を作製した。この２本の伸縮性管は、ゴム硬度の異なるフッ素ゴムを用い、外側に配設される管は内側の管よりもゴム硬度が高いものを用いた。
実施例１と同様にセルスタックを６００ｋｇｆの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを０．５〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の当たりを確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【００４２】
このようにして作製した積層電池について、伸縮性管内のガス圧０．５〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲で上と同様のリークチェックを行った。また、同時に実施例１の積層電池についても同様のガス圧の範囲でリークテストを行った。その結果を表１に示した。実施例１では、シールガス圧が０．５〜０．７ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲ではリークが発生したが、実施例２では０．５ｋｇｆ／ｃｍ2からリークはなく、良好なシール性を示した。これはシール構造が二重になった効果と、外側の伸縮性管の硬度が内側のそれより高いため、内側の伸縮性管の変形が、図８に示すように、ＭＥＡ側に向いた変形に限定された効果である。積層電池の発電特性は実施例１と同様の結果を得た。
【００４３】
《実施例３》
図５に示すようにセパレータ板の外周縁部に突部を設けたこと以外は実施例１と同様の積層電池を作製した。この突部の、膨張する管に接するエッジ部分は、曲率半径Ｒ＝０．５ｍｍの曲面となるように面取り加工をした。
セルスタックは実施例１と同様に６００ｋｇｆの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを０．５〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の当たりを確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【００４４】
このようにして作製した積層電池について、伸縮性管内のガス圧０．５〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲で上と同様のリークチェックを行った。その結果を表１に示した。実施例２の場合と同様に０．５ｋｇｆ／ｃｍ2からリークはなく、良好なシール性を示した。これはセパレータ板の外周縁部の突部が実施例２の外周シールと同様の働きをし、伸縮性管の変形が図６に示すようにＭＥＡ側に向いた変形に限定された効果である。積層電池の発電特性は実施例１と同様の結果を得た。
【００４５】
【表１】
2005093169.tif 000003
【００４６】
《実施例４》
実施の形態４で説明したように、電極外周部は伸縮性管によりシールし、燃料ガス、冷却水、酸化剤ガス、および加圧ガス用の各マニホールド孔はそれぞれＯ−リングによりシールする構造にした以外は実施例１と同様の積層電池を作製した。
セルスタックを実施例１と同様に６００ｋｇｆの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを０．５〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でＭＥＡとセパレータ板の当たりを確認した結果、ＭＥＡにかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【００４７】
このようにして作製した積層電池について、上と同様のリークチェックを行った。カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。積層電池の発電特性は実施例１と同様の結果を得た。
このようにクリアランスの精度の要求される電極外周部にのみ伸縮性管を加圧するシール構造を適用しても実施例１と同様のシール性を確保することができた。電極外周部のみに伸縮性管を配設する構造にすることで、構造の簡素化ができるので、組み立ての信頼性、コストダウンにより効果がある。
【００４８】
以上実施例と比較例を用いて本発明を具体的に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではない。
伸縮性管を含むガスケットに使用する部材については、フッ素ゴム以外にも、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、またはそれらの複合材が用いられる。伸縮性管をセパレータ板に接着する粘着剤は、スチレンとエチレンブチレンの共重合体、ポリイソブチレン、エチエンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品などが用いられる。
【００４９】
上の実施例においては、伸縮性管体を粘着剤でセパレータ板に固定したが、セパレータ板に直接焼き付けなどにより固定しても同様の効果が得られる。さらに、伸縮性管を加圧する方法として、実施例では窒素により加圧したが、加圧できる流体であれば、液体、気体を問わない。例えば、コンプレッサーにより加圧された空気、加圧されて供給される燃料ガス、冷却水なども利用可能である。
伸縮性管によるシールは、Ｏ−リングを用いたシール方式のように、Ｏ―リングを填める溝の必要性がないため、その分セパレータ板の厚さを薄くし、積層電池をコンパクトにできることは言うまでもない。さらに、本発明によれば、セルスタックの締結力を大幅に低減できるため、スタックの締結構造自体の簡素化ができるとともに、端板の素材に樹脂を用いることも可能であり、コンパクト化、低コスト化が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、組み立て時に必要であったクリアランスを大幅に低減することが可能になり、シールの信頼性が向上するとともに、量産時の歩留まりの向上により大幅なコスト低減が図れので、各種高分子電解質型燃料電池に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施の形態１におけるアノード側セパレータ板の正面図である。
【図２】実施の形態１におけるセルスタックを図１のII−II線で切った断面図である。
【図３】実施の形態１におけるセルスタックを図１のII−II線で切った断面図で、伸縮性管に加圧用ガスを注入した状態を示す。
【図４】実施の形態１におけるセルスタックを図１のIV−IV線で切った断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる電池の要部の断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる電池の要部の断面図で、伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。
【図７】実施の形態３にかかる電池の要部の断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる電池の要部の断面図で、伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。
【図９】実施の形態４におけるアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１０】比較例におけるアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１１】比較例におけるセルスタックの要部断面図である。
【図１２】実施例１および比較例２の電池の酸化剤利用率と電池電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ＭＥＡ
１１  高分子電解質膜
１２  アノード
１３  カソード
１４、１５  触媒層
１６、１７  ガス拡散層
２０  アノード側セパレータ板
３０  カソード側セパレータ板
２２  燃料ガスマニホールド孔
２３  冷却水用マニホールド孔
２４、３５  ガス流路
２５  酸化剤用マニホールド孔
２７、３７  冷却水の流路
２８、３８  加圧ガス用マニホールド孔
４０、５０  伸縮性管
４１、５１  粘着剤層
【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】
2005093169.tif 000009
【図７】
2005093169.tif 000010
【図８】
2005093169.tif 000011
【図９】
2005093169.tif 000012
【図１０】
2005093169.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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