(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上含まれた電池本体を有する燃料電池において、
前記電池本体の周囲に、前記流路に対して反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドが複数設けられ、
前記複数の反応ガスマニホルドは、それぞれが前記電池本体に向かって開口する開口部と、前記開口部の端部から外側に向かって張り出す板状の固定部が形成された樹脂の一括成形品であり、
前記固定部は、当該一括成形による、前記固定部に対して垂直方向に貫通する締め付け固定用のボルト穴と、補強部を備え、
前記補強部は、前記固定部の前記電池本体と反対側の面と、前記反応ガスマニホルドの外壁に一体に成形され、前記固定部に対して垂直方向に延びる板状の部材であ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、電池本体の流路に反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドを備えた燃料電池に係り、特に、反応ガスマニホルドを構成する材料に改良を施した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。
【０００３】
このような燃料電池のうち、固体高分子膜を用いたものの一例を、図６及び図７を参照して説明する。すなわち、燃料電池本体は、図６に示すように、複数の単位セル１を積層した積層体１１を有しており、その積層体１１の両端に、集電板２と締付板３を配置し、スタッド４及びナットと皿バネによって締め付けることにより構成されている。各セル１は、固体高分子膜の両端に、触媒を塗布した燃料極及び酸化剤極を配設し、さらにその両端に、燃料極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板とを設けることによって構成されている。
【０００４】
そして、積層体１１の断面図である図７に示すように、燃料電池本体の周囲には、燃料極入口マニホルド６、燃料極出口マニホルド７、酸化剤極入口マニホルド８及び酸化剤極出口マニホルド９が配置されている。燃料ガスは、燃料極入口マニホルド６に入り、燃料極流路板５の燃料極流路１０を通り、燃料極出口マニホルド７から燃料電池外へ排出される。また、酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホルド８に入り、図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホルド９から燃料電池外へ排出される。
【０００５】
ところで、これらの外付け形の燃料極入口・出口及び酸化剤極入口・出口マニホルド（以下、反応ガスマニホルドとする）６〜９は、一般に、積層体１１の積層面に取り付けられている。その目的は、反応ガスのセル１への供給と、セル１からの排出ガスの受入・所定次プロセスへの送り出しを行うことにある。また、安全確保及び電池効率低下防止の目的から、電池本体外部への反応ガスの漏洩を防止する機能も有している。
【０００６】
特に、電池本体外部への反応ガス漏洩防止のため、反応ガスマニホルドのシール端面１２は、シール材１３を介して積層体１１の積層面に取りつけられている。そして、この反応ガスマニホルド６〜９は、反応ガスシールが確実に行えるように、シール材１３を所定以上の力で押付けた状態で固定できる構造が必要となっている。
【０００７】
従来は、これらの機能を満足させるため、反応ガスマニホルドに、機械強度の得られる金属を用いており、その製造を、厚板の削り出し加工により行うか、金属板の溶接加工により行っていたのが一般的であった。また、特許文献１に示されているように、冷却水マニホルドとしての機能を合せ持つ反応ガスマニホルドにおいて、当該マニホルド内面に、腐食防止層を設けたものも提案されている。
【０００８】
さらに、金属材料の代替材料として、強度の高い且つ耐食性の高いガラス織布樹脂積層板を機械加工したものも、反応ガスマニホルドとして使用されている。なお、特許文献１には、燃料ガス及び酸化剤ガスに直接接触しない部分を補強するため、当該部分を金属部材で覆った複合樹脂製反応ガスマニホルドも提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１６７７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の反応ガスマニホルドは、金属材料を機械加工（削り出し、溶接等）で製造していたため、機械強度は充分であるが、製造コストが高くなる。また、機械的強度の高い織布補強積層樹脂材料を用いた場合には、図７に例示したような最終形状を一括して製造することが困難なため、平板を機械加工することにより製造する必要がある。このため、金属材料の機械加工と同様に、その製造コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
さらに、特許文献１に示されるような、樹脂製反応ガスマニホルドにおいては、反応ガスマニホルド自体の機械加工は省略できるが、機械加工を施した金属補強材が必須となり、結果的には、製造コストが低下しないという問題が残る。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、反応ガスマニホルドについて、加工の手間がかからず、低コストで製造できるとともに、充分な機械的強度が得られる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上含まれた電池本体を有する燃料電池において、前記電池本体の周囲に、前記流路に対して反応ガスを流通させる反応ガスマニホルドが複数設けられ、前記複数の反応ガスマニホルドは、それぞれが前記電池本体に向かって開口する開口部と、前記開口部の端部から外側に向かって張り出す板状の固定部が形成された樹脂の一括成形品であり、前記固定部は、当該一括成形による、前記固定部に対して垂直方向に貫通する締め付け固定用のボルト穴と、補強部を備え、前記補強部は、前記固定部の前記電池本体と反対側の面と、前記反応ガスマニホルドの外壁に一体に成形され、前記固定部に対して垂直方向に延びる板状の部材であることを特徴とする。
【００１３】
以上のような本発明では、反応ガスマニホルドが、樹脂により一括して製造できる成形品であるため、加工の手間がかからず、低コストで製造できるとともに、要求される機械的強度を満たすことが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のような本発明によれば、反応ガスマニホルドについて、加工の手間がかからず、低コストで製造できるとともに、充分な機械的強度が得られる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を、図面を参照して、具体的に説明する。なお、図６及び図７に示した従来技術と同様の構成及び作用については、説明を省略する。
【００１６】
［第１の実施形態…図１、図２］
［構成］
本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、基本的な構成は図６及び図７に示した従来技術と同様であり、セル１の積層体１１（図７参照）の周囲に、複数のマニホルド（燃料極入口マニホルド６、燃料極出口マニホルド７、酸化剤極入口マニホルド８、酸化剤極出口マニホルド９）が、シール材１３を介して配設されている。
【００１７】
これらの反応ガスマニホルド６〜９は、図１及び図２に示すように、エポキシ樹脂を用いて、インジェクション成形により製造されている。このとき、締付ボルト穴１４及び補強部１８も、一括成形される。ここで、インジェクション成形に用いた材料の一例を、表１に示す。
【表１】
0005175450.tif 000002
【００１８】
そして、以上のように製造された反応ガスマニホルド６〜９は、積層体１１を締め付けている両締付板３に対して、締付ボルト穴１４を介したボルト締結により固定される。この固定力がシール端面１２に伝わり、シール材１３を加圧・圧縮することにより、シール機能が発揮される構成となっている。シール端面１２の厚みは、締付時の変形によるシール材１３とのズレ発生やシール材１３の脱落を防止するため、例えば、６ｍｍ幅とすることが考えられるが、これに限定するものではない。
【００１９】
［作用］
以上のような本実施形態におけるシール機能を説明する。まず、反応ガスマニホルド６〜９の最も重要な機能の一つである、外部への反応ガス（冷却水水マニホルド機能を併せ有している場合は、その冷却水）の外部への漏洩防止について考察する。すなわち、シール端面１２と積層体１１の積層面に介在するシール材１３に、そのシール材１３に要求される力（押付け力）が印加可能であれば、反応ガス漏洩防止は達成することができる。
【００２０】
これは、反応ガス漏洩防止のためには、必ずしも反応ガスマニホルド６〜９全体の強度を上げる必要はなく、構造的にシール端面１２が充分な強度を持ち、且つ反応ガスマニホルド６〜９の取付・締付において、その締付力をシール端面１２に加えることができる構造であればよいことを意味する。そこで、本実施形態においては、反応ガスマニホルド６〜９自体を、エポキシ樹脂を用いたインジェクション成形によって製造することにより、上記の構造を実現した。
【００２１】
実際に、本実施形態の反応ガスマニホルドのシール機能を確認する試験を行った。この実験は、まず、５ｍｍ厚のアルミ板の両面に、本実施形態の一対の反応ガスマニホルドＡ、Ｂを配置し、シール材として所定形状に切断したシリコンゴムシート（硬度４０、３ｍｍ厚み）を介在させて、２５％の変形を生じる締付を実施した。締付は、一対の反応ガスマニホルドＡ、Ｂにおける互いの締付ボルト穴を介して、ボルト締結を行うことで実施した。
【００２２】
そして、両方の反応ガスマニホルドＡ、Ｂに、０．１５ｋＰａの内圧を与えた後に封じ切りを行い、内圧の減少速度を測定するシール性評価試験を行った。この試験の結果を以下の表２に示す。
【表２】
0005175450.tif 000003
【００２３】
以上のことから、３０分を経過した後でも、内圧の減少はなく充分なシール機能を有していることが確認できた。また、シール材のズレ・脱落も認められなかった。この時、反応ガスマニホルドＡ、Ｂのシール端面の外形寸法を測定したところ、締付前に比して、０．１ｍｍ以内の変形で収まっており、充分な強度を有していることも確認できた。
【００２４】
［効果］
以上から明らかなように、本実施形態によれば、反応ガスマニホルド６〜９として、エポキシ樹脂のインジェクション成形により一括成形することにより、固体高分子形燃料電池用として充分な強度が得られる。
【００２５】
また、反応ガスマニホルド６〜９の製造に、従来の機械加工が必要なくなり、締付ボルト穴１４及び補強部１８も含めて、一回の樹脂のインジェクション成形で完成することから、安価且つ信頼性のある反応ガスマニホルド６〜９及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を構成できる。
【００２６】
［第２の実施形態…図３、図４、図５］
［構成］
本発明の第２の実施形態を、図３〜５を参照して説明する。本実施形態は、基本的には上記の第１の実施形態と同様に、反応ガスマニホルド６〜９を製造したものである。但し、本実施形態においては、反応ガスマニホルド６〜９の両側に、図３に示すような傾斜面１９が設けられている。なお、図４に示すように、締付ボルト穴１４及び補強部１８も、一括成形されている。
【００２７】
そして、積層体１１を囲むように反応ガスマニホルド６〜９を配置し、互いの傾斜面１９を利用して、隣接するガスマニホルド６〜９同士を、締付ボルト穴１４を介して相互にボルト締結・締付を行う構成となっている。これにより、ボルト締結による締付力が、シール端面１２に伝わり、シール材１３を加圧・圧縮するので、シール機能が発揮される。シール端面１２の厚みは、締付時の変形によるシール材１３とのズレ発生やシール材１３の脱落を防止するため、例えば、６ｍｍ幅とすることが考えられるが、これに限定するものではない。
【００２８】
［作用］
以上のような本実施形態における反応ガスマニホルドのシール機能を確認する試験を行った。図５は、この試験の態様を示す側面図である。すなわち、５ｍｍ厚のアルミ板１５の両面に、本実施形態の一対のガスマニホルドＡ、Ｂを配置し、シール材１３として所定形状に切断したシリコンゴムシート（硬度４０、３ｍｍ厚み）を介在させて、２５％の変形を生じる締付を実施した。
【００２９】
締付は、スペーサ１６を介して、一対の反応ガスマニホルドＡ、Ｂにおける互いの締付ボルト穴１４を、ボルト締結部１７を用いて締結することで実施した。そして、両方の反応ガスマニホルドＡ、Ｂに、０．１５ｋＰａの内圧を与えた後に封じ切りを行い、内圧の減少速度を測定するシール性評価試験を行った。この試験の結果を以下の表３に示す。
【表３】
0005175450.tif 000004
【００３０】
以上のことから、３０分を経過した後でも、内圧の減少はなく充分なシール機能を有していることが確認できた。また、シール材１３のズレ及び脱落も観察されなかった。この時、反応ガスマニホルドＡ、Ｂのシール端面１２の外形寸法を測定したところ、締付前に比して、０．１ｍｍ以内の変形で収まっており、充分な強度を有していることも確認できた。
【００３１】
［効果］
以上から明らかなように、本実施形態によれば、上記の第１の実施形態と同様に、充分な強度が得られ、安価且つ信頼性のある固体高分子形燃料電池を構成できる。さらに、本実施形態では、反応ガスマニホルド６〜９の相互をボルト締結することによって、積層体１１の周囲に固定できるので、燃料電池本体側での特別な構造が不要となり、メンテナンス等のための取り外し、交換も容易である。
【００３２】
［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、反応ガスマニホルド６〜９の締付部は、何れもシール端面１２の側面に設置しているが、その締付力をシール端面１２に充分に伝えることができる構造であれば、上記の構造には限定されない。
【００３３】
また、上記の実施形態において、反応ガスマニホルド６〜９の成形用樹脂としてエポキシ樹脂を代表例として示したが、これには限定されない。例えば、熱硬化性樹脂であるフェノール系樹脂、熱可塑性樹脂であるポリカーボネイト樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等のいずれであっても、本発明を実現できる。可能であれば、固体高分子形燃料電池運転温度の９０℃程度の温度で、充分な機械的強度を有し且つ維持できる樹脂が望ましい。
【００３４】
また、上記の実施形態では、インジェクション成形により反応ガスマニホールドを形成した場合を述べたが、これに限定されるものではない。例えば、熱間加圧成形を用いて、反応ガスマニホールドを形成してもよい。全ての反応ガスマニホルドが樹脂成形品である必要はなく、一部のみでもよい。
【００３５】
さらに、上記の実施形態では、成形時の樹脂充填材として、シリカ（ＳｉＯ２）ビーズを用いた場合を説明したが、成形品の成形時の流れ改善若しくは成形品の強度向上を目的とする充填材としては、シリカビーズに限定されるものではない。例えば、シリカ繊維、カーボン粉、カーボン繊維、酸化チタン（ＴｉＯ２）粉体等であっても、同様な効果が得られる。なお、本発明は、固体高分子形燃料電池には限定されず、同様のマニホルドを必要とする燃料電池に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態における反応ガスマニホルドの垂直断面図。
【図２】図１の反応ガスマニホルドの平面図。
【図３】本発明の第２の実施形態における反応ガスマニホルドの垂直断面図。
【図４】図３の反応ガスマニホルドの平面図。
【図５】図３の実施形態におけるシール機能試験の態様を示す側面図。
【図６】一般的な燃料電池本体の一例を示す垂直断面図。
【図７】図６の燃料電池を構成するマニホルドを示す垂直断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…セル
２…集電板
３…締付板
５…燃料極流路板
６〜９…反応ガスマニホルド
１０…燃料極流路
１１…積層体
１２…シール端面
１３…シール材
１４…締付ボルト穴
１５…アルミ板
１６…スペーサ
１７…ボルト締結部
１８…補強部
１９…傾斜面
【図１】
0005175450.tif 000005
【図２】
0005175450.tif 000006
【図３】
0005175450.tif 000007
【図４】
0005175450.tif 000008
【図５】
0005175450.tif 000009
【図６】
0005175450.tif 000010
【図７】
0005175450.tif 000011