(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、均一なシール面圧を確実に得ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２金属セパレータ１６、１８を備える。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、外周縁部を覆って第１及び第２シール部材４０、４６が一体化される。第１シール部材４０は、面１６ａに凸部４０ａを有するとともに、この第１シール部材４０を射出成形する際に、ゲート部分で固化した部材を突起部４０ｂとして一体化している。第２シール部材４６は、面１８ａ、１８ｂに凸部４６ａ、４６ｃを有するとともに、前記第１シール部材４０を射出成形する際に、ゲート部分で固化した部材を突起部４６ｂ、４６ｄとして一体化している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池であって、
前記金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が一体成形されるとともに、
前記被覆部材は、成形時に被覆材料をキャビティに供給する湯口系の少なくとも一部で固化した部材を、被覆部材補強用の突起部として構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記金属セパレータは、矩形状に形成されるとともに、
前記突起部は、前記金属セパレータの四隅に設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、セパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れ且つ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用い、この金属セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って、燃料電池全体を小型化且つ軽量化する工夫がなされている。
【０００５】
この場合、金属セパレータには、セパレータ保護用のクッション材、パッキン材、スペーサ及び／又はガスリーク防止用のシール材等として機能する樹脂シールが設けられている。これにより、上記の樹脂シールは、形状が複雑になり易く、特に燃料電池を積層する際に、部分的にシール性が高くなり過ぎたり、積層面の面圧が低下したりして、シール面圧の不均一が惹起されるという問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の単電池が採用されている。この単電池は、絶縁性材料で形成され、電解質膜の外縁部を支持するフレームと、導電性材料で形成され、前記フレームの両側に配置される２つのセパレータとを備え、前記フレームと前記２つのセパレータとを、前記単電池の内部抵抗が所定の値となるよう弾性接着剤により接着している。
【０００７】
これにより、弾性接着剤が、単電池から発生する熱や振動に基づく応力を吸収し、単電池の耐久性を向上させるとともに、前記単電池を積層してなる燃料電池の性能を標準化する、としている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２４９４１７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、導電性材料で形成された２つのセパレータとフレームとを、単電池の内部抵抗が所定の値となるよう弾性接着剤により接着する接着工程が必要である。しかしながら、この種の接着工程は、相当に煩雑であり、単電池の製造工程が効率的に遂行されないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、均一なシール面圧を確実に得ることが可能な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、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する燃料電池である。金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が一体成形されるとともに、前記被覆部材は、成形時に被覆材料をキャビティに供給する湯口系の少なくとも一部で固化した部材を、被覆部材補強用の突起部として構成している。ここで、湯口系は、湯口、湯道及びゲート等の被覆材料が供給される通路を含んでおり、湯口系の少なくとも一部とは、例えば、ゲート部分をいう。
【００１２】
また、金属セパレータは、矩形状に形成されるとともに、突起部は、前記金属セパレータの四隅に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、被覆部材と一体に被覆部材補強用の突起部が設けられており、前記突起部の支持作用下に、積層時に前記被覆部材が所定量以上に潰れることを規制し、シール面圧を均一に維持することができる。しかも、突起部は、被覆材料をキャビティに供給するゲート部分で固化した部材、すなわち、通常、成形後に削除される部材である。従って、新たに専用の突起部を設ける必要がなく、構成が有効に簡素化されるとともに、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。なお、燃料電池１０は、単一の燃料電池１０として使用することができる一方、複数の前記燃料電池１０を積層することにより、燃料電池スタックを構成してもよい。
【００１５】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２金属セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、例えば、厚さが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの薄板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板や表面に防食処理を施した金属薄板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。
【００１６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１８】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。
【００１９】
カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層３２ａ、３２ｂと、前記電極触媒層３２ａ、３２ｂに配設されるカーボンペーパー等からなるガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３２ａ、３２ｂは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層３４ａ、３４ｂの表面に一様に塗布している。
【００２０】
図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が形成される。
【００２１】
第１金属セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂと、第２金属セパレータ１８との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３６と冷却媒体流路３８とは、第１金属セパレータ１６をプレス加工することによって表裏一体に形成される。
【００２２】
第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が射出成形により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２３】
第１シール部材４０は、面１６ａにおいて、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路３６を前記酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び前記酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに連通させる凸部４０ａが、平面シール部に一体に設けられる。
【００２４】
面１６ａには、後述するように、第１シール部材４０を射出成形する際に湯口系の少なくとも一部、例えば、ゲート部分で固化した被覆部材補強用の突起部４０ｂが設けられる。突起部４０ｂは、少なくとも第１金属セパレータ１６の四隅に、本実施形態では、該四隅と変形が発生し易い長手方向略中央部の２箇所との合計６箇所に設定される。
【００２５】
図４に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。
【００２６】
図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂと第１金属セパレータ１６との間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。燃料ガス流路４４と冷却媒体流路３８とは、第２金属セパレータ１８をプレス加工することによって表裏一体に形成される。
【００２７】
第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材４６が射出成形により一体化される。第２シール部材４６は、第１シール部材４０と同一の材料で構成されている。
【００２８】
第２シール部材４６は、図４に示すように、面１８ａにおいて、燃料ガス流路４４、燃料ガス供給連通孔２４ａ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂを囲繞するとともに、前記燃料ガス流路４４を前記燃料ガス供給連通孔２４ａ及び前記燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通させる凸部４６ａが、平面シール部に一体に設けられる。
【００２９】
面１８ａには、後述するように、第２シール部材４６を射出成形する際に湯口系の少なくとも一部、例えば、ゲート部分で固化した被覆部材補強用の突起部４６ｂが、例えば、合計６個所に設けられる。
【００３０】
図１に示すように、第２シール部材４６は、面１８ｂにおいて、冷却媒体流路３８、冷却媒体供給連通孔２２ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂを囲繞するとともに、前記冷却媒体流路３８を前記冷却媒体供給連通孔２２ａ及び前記冷却媒体排出連通孔２２ｂに連通させる凸部４６ｃが、平面シール部に一体に設けられる。
【００３１】
面１８ｂには、後述するように、第２シール部材４６を射出成形する際に湯口系の少なくとも一部、例えば、ゲート部分で固化した被覆部材補強用の突起部４６ｄが、例えば、合計６個所に設けられる。
【００３２】
このように構成される燃料電池１０を製造する作業について、以下に説明する。
【００３３】
図５は、第１金属セパレータ１６の外周縁部を覆って第１シール部材４０を一体化する射出成形金型５０の一部断面図である。射出成形金型５０は、互いに開閉自在な型部材５２、５４を備える。型部材５２、５４が閉塞された状態で、前記型部材５２、５４間には、第１シール部材４０の形状に対応するキャビティ５６が形成される。このキャビティ５６には、溶融シール材料を供給するために湯口系５８が連通しており、前記湯口系５８は、第１シール部材４０に一体化される突起部４０ｂに対応する複数のゲート部分６０を有する。
【００３４】
図６は、第２金属セパレータ１８の外周縁部を覆って第２シール部材４６を一体化する射出成形金型７０の一部断面図である。射出成形金型７０は、互いに開閉自在な型部材７２、７４を備える。型部材７２、７４が閉塞された状態で、前記型部材７２、７４間には、第２シール部材４６の形状に対応するキャビティ７６が形成される。キャビティ７６は、湯口系７８ａ、７８ｂを介して溶融シール材料が供給されるとともに、前記湯口系７８ａ、７８ｂは、第２シール部材４６に一体化される複数の突起部４６ｂ、４６ｄに対応するゲート部分８０ａ、８０ｂを有する。
【００３５】
そこで、図５に示すように、型部材５２、５４間に第２金属セパレータ１８が配置されて型閉めされた状態で、湯口系５８からキャビティ５６に溶融シール材料が充填される。このため、第１金属セパレータ１６の外周縁部を覆って第１シール部材４０が固化するとともに、ゲート部分６０にもシール材が固化する。
【００３６】
次いで、型部材５２、５４を型開きして第１金属セパレータ１６が離型されるとともに、ゲート部分６０に固化した部材を削除することなく、突起部４０ｂとして第１シール部材４０に設けておく。
【００３７】
一方、図６に示すように、型部材７２、７４間に第２金属セパレータ１８が配置されて型閉めされた状態で、湯口系７８ａ、７８ｂからキャビティ７６に溶融シール材料が充填される。従って、第２金属セパレータ１８の外周縁部を覆って第２シール部材４６が固化されるとともに、ゲート部分８０ａ、８０ｂで前記シール材料が固化する。
【００３８】
さらに、型部材７２、７４を型開きして第２金属セパレータ１８を離型させ、ゲート部分８０ａ、８０ｂで固化した部材を突起部４６ｂ、４６ｄとして第２シール部材４６に一体化させておく。
【００３９】
上記のように製造された第１及び第２金属セパレータ１６、１８間には、電解質膜・電極構造体１４が配置され、燃料電池１０の締め付け作業が行われる。
【００４０】
この場合、本実施形態では、第１金属セパレータ１６の外周縁部を覆って一体化される第１シール部材４０には、シール部材を補強用の突起部４０ｂが設けられるとともに、第２金属セパレータ１８の外周縁部を覆って一体化される第２シール部材４６には、シール部材補強用の突起部４６ｂ、４６ｄが設けられている。
【００４１】
このため、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ１６、１８により、電解質膜・電極構造体１４を挟持する際、第１及び第２シール部材４０、４６の凸部４０ａ、４６ａが固体高分子電解質膜２６を挟持するとともに、突起部４０ｂ、４６ｂが前記固体高分子電解質膜２６を挟持し、あるいは、直接接している。
【００４２】
従って、燃料電池１０の締め付け時に、突起部４０ｂ、４６ｂの保持作用下に、凸部４０ａ、４６ａが必要以上に潰れることを規制することができる。これにより、燃料電池１０では、例えば、部分的にシール性が高くなり過ぎたり、積層面の面圧が低下したりすることがなく、シール面圧を均一に維持することができるという効果が得られる。
【００４３】
しかも、突起部４０ｂ、４６ｂは、ゲート部分６０、８０ａで固化したシール材料、すなわち、通常、成形後に削除される部材を使用している。従って、第１及び第２シール部材４０、４６に新たに専用の突起部を設定する必要がなく、構成が有効に簡素化されるとともに、経済的である。
【００４４】
また、第２シール部材４６には、凸部４６ｃ側に突起部４６ｄが設けられている。このため、燃料電池１０を積層してスタックを図る際に、凸部４６ｃが他の燃料電池を構成する第１金属セパレータ１６の平坦な第１シール部材４０に接触して必要以上に潰れることがない。
【００４５】
なお、本実施形態では、突起部４０ｂ、４６ｂ及び４６ｄは、６箇所に設けられているが、少なくとも四隅に設けられていればよく、また、矢印Ｂ方向に長尺である際には、長手方向の辺に４箇所以上、合計で８箇所以上に設定してもよい。
【００４６】
次に、燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４７】
図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４８】
酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２４ａに供給された燃料ガスは、図１及び図４に示すように、第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。
【００４９】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ａ、３２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００５０】
次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される（図４参照）。
【００５１】
また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３８に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。
【図５】前記第１金属セパレータに第１シール部材を成形する射出成形金型の一部断面説明図である。
【図６】前記第２金属セパレータに第２シール部材を成形する射出成形金型の一部断面説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池                  １４…電解質膜・電極構造体
１６、１８…金属セパレータ      ２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔    ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔      ２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔      ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極            ３０…アノード側電極
３６…酸化剤ガス流路            ３８…冷却媒体流路
４０、４６…シール部材          ４０ａ、４６ａ、４６ｃ…凸部
４０ｂ、４６ｂ、４６ｄ…突起部  ４４…燃料ガス流路
５０、７０…射出成形金型        ５６、７６…キャビティ
５８、７８ａ、７８ｃ…湯口系    ６０、８０ａ、８０ｂ…ゲート部分
【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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