(57)【要約】【課題】  積層されたモジュールのセパレータがシール材の弾性力で破損することを防止する。【解決手段】  膜‐電極集合体をセパレータ間に挟持したモジュールの両端のセパレータの外面に、冷媒流路が凹設された接合面が形成され、接合面より外周側に接合面より低いシール材当接面が形成される。アノード電極、カソード電極、冷媒流路に燃料、酸化ガスおよび冷媒を導入する導入マニホールド、各オフガス、冷媒を導出する導出マニホールドが各モジュールに積層方向に穿設されている。シール材当接面に冷媒流路、冷媒導入、導出マニホールドを包囲し、他の導入、導出マニホールドを夫々隔離するシール材が当接されて複数のモジュールが積層される。冷媒流路、および各導入、導出マニホールドより外周側の外周部に形成された定寸面が隣接するモジュールのセパレータと当接してシール材の弾性力を支持する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜‐電極集合体をセパレータ間に挟持し、各セパレータのアノード電極およびカソード電極に当接する各内面に燃料および酸化ガスを供給する燃料流路および酸化ガス流路を夫々凹設してモジュールを構成し、モジュール両端のセパレータの各外面の少なくとも一方に冷媒を流通する冷媒流路が凹設された接合面を形成するとともに、該接合面より外周側に接合面より低いシール材当接面を形成し、前記燃料流路、酸化ガス流路および冷媒流路に燃料、酸化ガスおよび冷媒を夫々導入する導入マニホールドおよびアノードオフガス、カソードオフガスおよび冷媒を導出する導出マニホールドを各モジュールに積層方向に夫々穿設し、前記シール材当接面に前記冷媒流路および冷媒導入、導出マニホールドを包囲するとともに燃料、酸化ガス導入マニホールドおよびアノードオフガス、カソードオフガス導出マニホールドを夫々包囲して隔離するシール材を当接させて複数のモジュールを積層して構成した燃料電池において、前記シール当接面が形成されたセパレータの外面に前記シール材より外周側の外周部に前記接合面と同一平面内に位置する定寸面を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記定寸面を前記セパレータの外面の外周縁部に全周に亘って形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に係る燃料電池のモジュールの製造方法において、接離する一対の圧着プレート間に前記モジュール両端のセパレータを前記膜‐電極集合体を挟んで配置し、前記電解質膜の外周縁部全周および各セパレータの内面の外周縁部全周に対向して接着剤を配置し、前記一対の圧着プレートを接近させて前記セパレータの接合面および定寸面を圧着プレートで押圧して前記セパレータを前記膜‐電極集合体を挟持して接着剤で接着することを特徴とするモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および電解質をアノード電極とカソード電極との間に挟持した膜−電極集合体の両面にセパレータを当接させて構成したモジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された燃料電池１０では、図１，２に示されるように電解質膜１１をアノード電極１４とカソード電極１７とで挟んだ膜‐電極集合体の両面にセパレータ１８が当接され、各セパレータ１８のアノード電極１４およびカソード電極１７に当接する各当接面に燃料ガスおよび酸化ガスを供給する燃料ガス流路２７ａおよび酸化ガス流路２７ｂが夫々凹設されてモジュール１９が構成され、モジュール１９両端のセパレータ１８の接合面に冷媒を流通する冷媒流路２６が凹設され、複数のモジュール１９が冷媒流路２６を包囲するシール材を介在して積層されている。燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂおよび冷媒流路２６に燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒を夫々導入する入側のマニホールド２９ａ，２９ｂ，２８および導出する出側の冷媒マニホールド２９ａ，２９ｂ，２８が各モジュール１９に積層方向に連通して穿設されている。
【０００３】
各モジュール１９において、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８の外形サイズが同じ場合は、図９のようにシール材料がはみ出すと垂れ落ちるので、除去作業が必要になる。また、はみ出したシール材料がセパレータの裏面に回り込むと、図１０のように、モジュール１９を積層した時に互いに平行に積み重ねることができなくなる。このようなシール材料のはみ出しを防止するために、図８に示されるように電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８の外周端部に面取り部５９が形成され、面取り部５９により形成されたスペースがシール溜まり５７となってはみ出したシール材料が溜まり、セパレータ１８の外周部までシール材料がはみ出さないようにされている。
【０００４】
特許文献２に記載された燃料電池セパレータ組立シール構造では、一対のセパレータ１，２間に反応電極部３が挟み込まれ、反応電極部３の外周側にゴム状弾性材製のガスケット７が所定の圧縮代をもって一対のセパレータ１，２間に挟持されている。反応電極部３は、電解質膜４の両側にカソード電極５およびアノード電極６を重ね合わせたものである。一対のセパレータ１，２は嵌め合い構造とされていて、セパレータ１，２に凹部１０および凸部１１の組み合わせからなる位置決め部９が所要数設けられている。この凹部１０と凸部１１が係合することによりセパレータ１，２が互いに位置決めされ、燃料電池セパレータ組立シール構造の厚さが一定になる。セパレータ１，２の各外面には、位置決め部９に対応して溝部１５，１７が各周縁部に沿ってエンドレスに設けられており、溝部１５，１７の底面に空間部１６，１８が各位置決め部９に対応してその平面中央に一つずつ互いに連通して設けられている。ゴム、熱可塑性エラストマ等のゴム状弾性材料を圧縮成形または射出成形して溝部１５，１７にセパレータシール１４がセパレータ１の周縁部に沿ってエンドレスに同時成形されるとともに、空間部１６，１８に成形材１９がセパレータシール１４と一体に成形される。これにより、一対のセパレータ１，２は凹部１０の底面と凸部１１の先端面とがセパレータ１，２の厚み方向に付き合わされた状態で重ね合わせて一体化されている。
【特許文献１】特開２００２−３６７６３１号公報（第４，６頁、図１，２，９，１０）
【特許文献２】特開２００１−３３８６７３号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】特開平１１−２３３１２８号公報
【特許文献４】特開２０００−４８８３５号公報
【特許文献５】特開２００２−２６０６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載のシステムにおいては、セパレータ１８の外周縁部は冷媒流路２６を包囲するシール材を介在させるために薄く形成されているので、複数のモジュール１９が該シール材を介在して積層されたとき、シール材の弾性力がセパレータ１８の外周縁部に作用し、セパレータ１８の外周縁薄肉部の弱い箇所に応力が集中して破損することがあった。また、セパレータ１８を接着するシール材料はシール溜まり５７に溜められ、セパレータの裏面に回ることがなくなるが、各モジュール１９の両端のセパレータ１８の接合面が平行になる保証はなく、傾斜した状態でセパレータ１８が接着されると、モジュール１９を積層したときに図１０のように傾いてしまう。
【０００６】
特許文献２に燃料電池セパレータ組立シール構造として記載されたモジュールでは、一対のセパレータ１，２は凹部１０の底面と凸部１１の先端面とがセパレータ１，２の厚み方向に付き合わされた状態で重ね合わせて一体化されているので、各モジュールの両端セパレータ１，２の外面が平行になり、モジュール１９が傾斜して積層されることはなくなるが、構造が複雑になりコスト高になる問題がある。また、モジュールが積層されるとき、隣接するモジュールの互いに接合するセパレータ１，２の溝１５，１７より外側の外周縁部が当接するとは限らないので、セパレータシール１４の弾性力がセパレータ１，２の外周縁部に作用し溝１５，１７の内周側に応力が集中して破損する虞がある。また、図１に示されたモジュールでは、セパレータシール１４が僅かに潰された状態で収納される空間が形成されていないので、重合されるモジュールのセパレータ１，２の外面が良好に接合することができず、強い力でモジュールを締結すると、セパレータシール１４の弾性力が極めて大きくなり、セパレータ１，２が破損する可能性がある。
【０００７】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、積層されたモジュールのセパレータがシール材の弾性力で破損することがなく、且つモジュールが傾斜して積層されることがない燃料電池およびそのモジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜‐電極集合体をセパレータ間に挟持し、各セパレータのアノード電極およびカソード電極に当接する各内面に燃料および酸化ガスを供給する燃料流路および酸化ガス流路を夫々凹設してモジュールを構成し、モジュール両端のセパレータの各外面の少なくとも一方に冷媒を流通する冷媒流路が凹設された接合面を形成するとともに、該接合面より外周側に接合面より低いシール材当接面を形成し、前記燃料流路、酸化ガス流路および冷媒流路に燃料、酸化ガスおよび冷媒を夫々導入する導入マニホールドおよびアノードオフガス、カソードオフガスおよび冷媒を導出する導出マニホールドを各モジュールに積層方向に夫々穿設し、前記シール材当接面に前記冷媒流路および冷媒導入、導出マニホールドを包囲するとともに燃料、酸化ガス導入マニホールドおよびアノードオフガス、カソードオフガス導出マニホールドを夫々包囲して隔離するシール材を当接させて複数のモジュールを積層して構成した燃料電池において、前記シール当接面が形成されたセパレータの外面に前記シール材より外周側の外周部に前記接合面と同一平面内に位置する定寸面を形成したことである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記定寸面を前記セパレータの外面の外周縁部に全周に亘って形成したことである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２に係る燃料電池のモジュールの製造方法において、接離する一対の圧着プレート間に前記モジュール両端のセパレータを前記膜‐電極集合体を挟んで配置し、前記電解質膜の外周縁部全周および各セパレータの内面の外周縁部全周に対向して接着剤を配置し、前記一対の圧着プレートを接近させて前記セパレータの接合面および定寸面を圧着プレートで押圧して前記セパレータを前記膜‐電極集合体を挟持して接着剤で接着することである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、膜‐電極集合体をセパレータ間に挟持したモジュールの両端のセパレータの外面に、冷媒流路が凹設された接合面が形成されるとともに、接合面より外周側に接合面より低いシール材当接面が形成されている。アノード電極、カソード電極、冷媒流路に燃料、酸化ガス、冷媒を夫々導入する導入マニホールド、およびアノードオフガス、カソードオフガス、冷媒を導出する導出マニホールドが各モジュールに積層方向に夫々穿設されている。シール材当接面に冷媒流路および冷媒導入、導出マニホールドを包囲し、燃料、酸化ガス導入マニホールド、およびアノードガス、カソードガス導出マニホールドを夫々包囲して隔離するシール材が当接されて複数のモジュールが積層される。このとき、シール材より外周側の外周部に形成された定寸面が隣接するモジュールのセパレータと当接してシール材の弾性力を支持するので、シール材当接面部分が変形することがなく、接合面部分との境界部に応力が集中してセパレータが破損することがない。特に、シール材当接面の各マニホールドを含む部分は接合面からオーバハングする長さが長くなるが、定寸面によって変形を防止されるので破損を有効に防止される。
【００１２】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、定寸面がセパレータの外面の外周縁部に全周に亘って形成されているので、シール材当接面部の変形を確実に防止することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、接離する一対の圧着プレート間に、モジュール両端のセパレータが膜‐電極集合体を挟んで配置される。電解質膜の外周縁部全周および各セパレータの内面の外周縁部全周に対向して接着剤が配置される。互いに接近される一対の圧着プレートによりセパレータの接合面および該接合面と同一平面内に外周部に形成された定寸面が押圧され、セパレータが膜‐電極集合体を挟持して接着剤により接着される。また、セパレータに反りがあっても、反りが矯正された状態で接着される。これにより、モジュール両端のセパレータの外面、特に定寸面が形成された外周部が接着剤の反力により外方に変形されることなく平行に維持され、モジュールが傾斜して積層されることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池に使用されるモジュールの断面図であり、図２はその平面図である。モジュール１１は、電解質膜１２がアノード電極１３とカソード電極１４とで挟まれた膜‐電極集合体１５を有し、膜‐電極集合体１５がカーボン等で形成されたセパレータ１６，１７間に挟持されて構成されている。電解質膜１２の外周縁部全周および両端のセパレータ１６，１７の内面の外周縁部全周は接着剤１８により接着されてシールされている。セパレータ１６，１７のアノード電極１３およびカソード電極１４に当接する各内面１９，２０には、アノード電極１３およびカソード電極１４に燃料および空気（酸化ガス）を夫々供給する燃料流路２１および空気流路（酸化ガス流路）２２が凹設されている。燃料としては、例えば天然ガス、ＬＰガスなどの炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応させて生成した水素リッチな改質ガスを用いる。燃料としては、改質ガス以外に、メタノールなどの液体燃料や、純水素などを使用する場合もある。モジュール１１両端のセパレータ１６，１７の外面２３，２４には、冷却水（冷媒）を流通する冷却水流路（冷媒流路）２５，２６が凹設された接合面２７，２８が夫々形成されるとともに、接合面２７，２８より外周側に接合面２７，２８より低いシール材当接面２９，３０が形成されている。
【００１５】
モジュール１１には、燃料流路２１、空気流路２２および冷却水流路２５，２６に燃料、空気および冷却水を夫々導入する燃料、空気、冷却水導入マニホールド３１，３２，３３およびアノードオフガス、カソードオフガスおよび冷却水を導出する燃料、空気、冷却水導出マニホールド３４，３５，３６が、モジュール１１が積層されたとき各マニホールド３１〜３６が夫々連通するように積層方向に貫通して穿設されている。３７はモジュール１１が積層されたとき、シール材当接面２９，３０に押圧されて若干潰されるシール材で、冷却水流路２５，２６および冷却水導入、導出マニホールド３３，３６を包囲するとともに、燃料、空気導入マニホールド３１，３２およびアノードオフガス、カソードオフガス導出マニホールド３４，３５を夫々包囲して隔離する。シール材当接面２９，３０が形成されたセパレータ１６，１７の外面２３，２４には、冷却水流路２５，２６、導入マニホールド３１〜３３および導出マニホールド３４〜３６より外周側、即ちシール材３７より略等距離だけ外周側に離間して外周縁部に全周に亘って、接合面２７，２８と同一平面内に位置する定寸面３８，３９が形成されている。
【００１６】
このように構成されたモジュール１１がシール材３７をシール材当接面間に挟んで積層されてスタック４０が構成され、スタック４０がエンドプレート４１とプレッシャプレート４２の間に配置されて燃料電池１０が構成されている。即ち、スタック４０は、エンドプレート４１にテンションプレート４３で連結されたエンドプレート４４とプレッシャプレート４２との間に介在された圧縮スプリング４５のバネ力により、エンドプレート４１とプレッシャプレート４２との間に挟持され、エンドプレート４１には、導入マニホールド３１〜３３に燃料、空気、冷却水を夫々供給する供給配管４６〜４８および導出マニホールド３４〜３６からアノードオフガス、カソードオフガス、冷却水を夫々排出する排出配管４９〜５１が設けられている。スタック４０とプレッシャプレート４２との間には、集電板および絶縁板等が配置されている。
【００１７】
このとき、定寸面３８，３９が、隣接するモジュール１１の定寸面３９，３８と当接してシール材３７の弾性力を支持するので、シール材当接面２９，３０部分が変形することがなく、接合面２７，２８部分との境界部に応力が集中してセパレータ１６，１７が破損することがない。
【００１８】
このように構成された燃料電池１０は、改質ガス、空気および冷却水が供給配管４６〜４８から供給される。供給された改質ガスは、導入マニホールド３１、燃料流路２１を通って各膜‐電極集合体１５のアノード電極１３に供給される。これにより、アノード電極１３においては、供給された改質ガスに含まれる水素ガスが下記化１のように反応し、生成物である水素イオンが電解質膜１２を通ってカソード電極１４に供給されるとともに未反応の水素ガスを含んだアノードオフガスが排出される。アノードオフガスは導出マニホールド３４、排出配管４９を通って排出される。
（化１）
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
供給配管４７から供給された空気は、導入マニホールド３２、空気流路２２を通って各膜‐電極集合体１５のカソード電極１４に供給される。これにより、カソード電極１４においては、供給された空気中の酸素およびアノード電極１３から電解質膜１２を介して供給された水素イオンが下記化２のように反応し、水（水蒸気）が生成されその水蒸気を含んだカソードオフガスが排出される。カソードオフガスは導出マニホールド３５、排出配管５０を通って排出される。
（化２）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
そして、アノード電極１３で生成された電子は外部に接続されたインバータを通ってカソード電極１４に到達し、カソード電極１４にてその電子を使用して上記化２に示す反応が生じ、これにより燃料電池１０は発電する。 供給配管４８から供給された冷却水は、導入マニホールド３３、冷却水流路２５，２６を通って各モジュール１１を冷却し、導出マニホールド３６、排出配管５１を通って排出される。
【００１９】
上記実施形態におけるモジュール１１は、１個の膜‐電極集合体１５が両端のセパレータ１６，１７に挟持されているが、図４に示す第２の実施形態に係るモジュール５２では、中間セパレータ５３の両端面と両端のセパレータ１６，１７との間に膜‐電極集合体１５が夫々挟持され、電解質膜１２の外周縁部全周および両端のセパレータ１６，１７の内面と中間セパレータ５３の両面との外周縁部全周は接着剤５４，５５により接着されてシールされている。中間セパレータ５３のアノード電極１３およびカソード電極１４に当接する各面には、カソード電極１４およびアノード電極１３に空気および燃料を夫々供給する空気流路２２および燃料流路２１が夫々凹設されている。中間セパレータ５３にも各導入用マニホールド３１〜３３、および各導出用マニホールド３４〜３６が穿設されている。モジュール５２両端のセパレータ１６，１７の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００２０】
第２の実施形態では、両端のセパレータ１６，１７と中間セパレータの両面との間に膜‐電極集合体１５を夫々挟持して接着剤５４，５５で接着しているが、図５に示す第３の実施形態に係るモジュール５６では、中間セパレータ５７の両端面と両端のセパレータ１６，１７との間に膜‐電極集合体１５が夫々挟持され、電解質膜１２の両面とセパレータ１６，１７の内面および中間セパレータ５７の両面との間はシール材５８，５９によりシールされている。中間セパレータ５７、電解質膜１２にも、各導入用マニホールド３１〜３３および各導出用マニホールド３４〜３６が積層方向に穿設されている。中間セパレータ５７の両面には、アノード電極１３およびカソード電極１４に対接しアノード電極１３およびカソード電極１４に燃料および空気を夫々供給する燃料流路２１および空気流路２２が凹設された対接面６０，６１が夫々形成され、シール材５８は燃料導入マニホールド３１およびアノードオフガス導出マニホールド３４を燃料流路２１に連通し、空気、冷却水導入マニホールド３２，３３、カソードオフガス、冷却水導出マニホールド３５，３６を隔離し、シール材５９は空気導入マニホールド３２およびカソードオフガス導出マニホールド３５を空気流路２２に連通し、燃料、冷却水導入マニホールド３１，３３およびアノードオフガス、冷却水導出マニホールド３４，３６を隔離している。中間セパレータ５７の両面には、燃料流路２１、空気流路２２、各導入マニホールド３１〜３３および各導出マニホールド３４〜３６より外周側、即ちシール材５８，５９より略等距離だけ外周側に離間して外周縁部に全周に亘って、両端のセパレータ１６，１７の内面に当接する定寸面６２，６３が形成されている。この場合、定寸面６２，６３には、電気的絶縁処理がなされている。
【００２１】
次に、第１の実施形態に係るモジュール１１の製造方法について説明する。図６に示すように、接離する一対の圧着プレート６４，６５間に、モジュール１１の両端のセパレータ１６，１７を膜‐電極集合体１５を挟んで配置する。電解質膜１２の外周縁部全周およびセパレータ１６，１７の内面の外周縁部全周に接着剤１８を配置する。一対の圧着プレート６４，６５を所定間隔になるまで接近させて、セパレータ１６，１７の接合面２７，２８および定寸面３８，３９を一対の圧着プレート６４，６５で押圧することにより、セパレータ１６，１７の内面は、膜‐電極集合体１５の電解質膜１２の外周縁部を挟んで所定厚さに押し延された接着剤１８により接着される。このようにして製造されたモジュール１１の両端のセパレータ１６，１７の外面は、特に定寸面３８，３９が圧着プレート６４，６５に当接して押圧されるので、セパレータ１６，１７の外周部が接着剤の反力により外方に変形されることがなく平行に維持され、且つセパレータ１６，１７の外面の間隔、即ちモジュールの厚さのバラツキがなくなる。また、セパレータ１６，１７に反りがあっても、反りが矯正された状態で接着される。第２の実施形態に係るモジュール５２も、圧着プレート６４，６５間に、モジュール５２の両端のセパレータ１６，１７、２個の膜‐電極集合体１５および中間セパレータ５３配置することにより、同様の方法で製造することができる。
【００２２】
上記実施形態では、冷却水流路２５，２６、シール材当接面２９，３０および定寸面３８，３９を、モジュール１１の両端のセパレータ１６，１７の各外面に形成したが、モジュール１１の一方端のセパレータの外面にのみ形成してもよい。
【００２３】
上記実施形態では、シール材当接面２９，３０が形成されたセパレータ１６，１７の外面２３，２４に、シール材より３７外周側の外周縁部に全周に亘って定寸面３８，３９を形成しているが、定寸面３８，３９をシール材当接面が形成されたセパレータの外面の外周縁部に断続的に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る燃料電池のモジュールの第１の実施形態を示す断面図。
【図２】モジュールの平面図。
【図３】モジュールを積層して燃料電池を構成した状態を示す断面図。
【図４】モジュールの第２の実施形態を示す断面図。
【図５】モジュールの第３の実施形態を示す断面図。
【図６】モジュールの製造方法を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１０…燃料電池 、１１…モジュール、１２…電解質膜、１３…アノード電極、１４…カソード電極、１５…膜‐電極集合体、１６，１７…セパレータ、１８，５４，５５…接着剤、１９，２０…内面、２１…燃料流路、２２…空気流路（酸化ガス流路）、２３，２４…外面、２５，２６…冷却水流路（冷媒流路）、２７，２８…接合面、２９，３０…シール材当接面、３１〜３３…導入マニホールド、３４〜３６…導出マニホールド、３７，５８，５９…シール材、３８，３９…定寸面、４０…スタック、４１，４４…エンドプレート、４２…プレッシャプレート、４３…テンションプレート、４５…圧縮スプリング、４６〜４８…供給配管、４９〜５１…排出配管、５３，５７…中間セパレータ、６０，６１…対接面、６４，６５…圧着プレート。
【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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