(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層を挟持するガス拡散電極とからなる単電池を複数積層した積層体を備える燃料電池であって、
前記積層体の内部であって該積層体の周辺部に、該積層体の積層方向に沿って、燃料の流路が形成されており、
前記流路の内面には、前記積層体内の積層方向に亘って、ゴムまたは樹脂、あるいはゴムまたは樹脂を主成分とした接着剤のいずれかからなる被覆層が被覆されてなる
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記被覆層は、絶縁性材料により形成された燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記被覆層は、複数の単電池により構成されるモジュールを複数積層してなるモジュール毎に形成した燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは電解質層と電極とを複数積層してなり内部に燃料の流路が形成された積層体を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池としては、所定の位置に貫通孔が形成された単電池を複数積層することにより、燃料電池を構成する積層体の内部に燃料の給排用流路を形成するものが提案されている（例えば、特開昭６２−１３６７７７号公報，特開平４−１４４０６９号公報，特開平５−１７４８６２号公報等）。
【０００３】
これらの燃料電池は、電解質層と、この電解質層を挟持してサンドイッチ構造とするガス拡散電極と、このサンドイッチ構造を挟持しガス拡散電極とで燃料の流路を形成すると共に隣接する単電池の隔壁をなす集電極とからなる単電池を、複数積層することにより構成される。燃料電池内部に形成される燃料の給排用流路は、集電極の外縁部に形成された積層面を貫通する貫通孔により形成される。集電極の形成材料としては、集電極が燃料の流路を形成すると共に単電池の隔壁をなすことから、燃料に対して化学的に安定で、燃料を透過せず、導電性優れていることが要求される。上記の燃料電池では、これらの要求を満たす緻密質カーボン（カーボンを圧縮してガス不透過としたもの）が用いられている。
【０００４】
また、これらの燃料電池では、燃料の給排用流路から燃料が漏れるのを防止するため、集電極の外縁部に形成された貫通孔の外周にＯリング等のシール部材を配置して積層している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした緻密質カーボンで形成され外縁部に燃料の給排用流路を形成するための貫通孔が形成された集電極を複数積層してなる燃料電池では、緻密質カーボンが脆性材料であるため、衝撃等により割れ等が生じやすく、燃料が外部に漏れやすいという問題があった。特に燃料電池を移動車両等に搭載する場合、移動車両の不慮の事故等によって生じる衝撃をも考慮する必要があり、この問題はクローズアップされる。
【０００６】
こうした問題は、集電極を緻密質カーボンを材料として形成した場合に限られるものでなく、他の材料により形成した場合でも同様である。
【０００７】
本発明の燃料電池は、こうした問題を解決し、燃料電池に形成された燃料の給排用流路から燃料が外部へ漏れるのを防止することを目的とし、次の構成を採った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池は、
電解質層と該電解質層を挟持するガス拡散電極とからなる単電池を複数積層した積層体を備える燃料電池であって、
前記積層体の内部であって該積層体の周辺部に、該積層体の積層方向に沿って、燃料の流路が形成されており、
前記流路の内面には、前記積層体内の積層方向に亘って、ゴムまたは樹脂、あるいはゴムまたは樹脂を主成分とした接着剤のいずれかからなる被覆層が被覆されてなることを要旨とする。
【０００９】
なお、こうした燃料電池において、前記積層体は、前記燃料の流路の形成面の少なくとも一部を被覆するものとしても良い。
【００１０】
ここで、前記燃料電池において、前記被覆層は、絶縁性材料により形成されてなる構成とすることもできる。
【００１１】
以上のように構成された本発明の燃料電池は、積層体の内部であって該積層体の周辺部に、該積層体の積層方向に沿って形成された燃料の流路の内面に、積層体内の積層方向に亘って、ゴムまたは樹脂、あるいはゴムまたは樹脂を主成分とした接着剤のいずれかからなる被覆層が被覆される。
【００１２】
本発明の燃料電池において、被覆層を絶縁性材料とすれば、被覆層による単電池間の短絡を防止することが可能となると共に、燃料電池を移動車両に搭載する場合等に他の機器との絶縁が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池を構成する積層体１０の構成の概略を示す説明図、図２は積層体１０を構成する単電池１１の構成を例示する分解斜視図、図３は、参考例としての積層体の断面図である。
【００１４】
図１および図２に示すように、積層体１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持しサンドイッチ構造とする２つのガス拡散電極１４と、このサンドイッチ構造を挟持すると共に隣接する単電池の隔壁をなす２つの集電極２０と、サンドイッチ構造と共に集電極２０に挟持されるシール部材４０とを複数積層して構成される。積層体１０の両積層端には、エンドプレート５０が取り付けられており
、積層体１０の積層方向に沿った４つの側面には、全面に被覆層６０が形成されている。
【００１５】
電解質膜１２は、高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成された厚さ１００μｍないし２００μｍのイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。２つのガス拡散電極１４は、表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていない炭素繊維とを１対１の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。ガス拡散電極１４は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するから、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害することはない。このカーボンクロスの電解質膜１２側の表面および隙間には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉が練り込まれている。この電解質膜１２と２つのガス拡散電極１４は、２つのガス拡散電極１４が電解質膜１２を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００℃ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の温度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし２０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝好ましくは５ＭＰａ｛５１kgf ／cm2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝の圧力を作用させて接合するホッ トプレス法により接合されている。
【００１６】
集電極２０は、カーボンを圧縮して緻密化しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。集電極２０は、正方形の薄板状に形成されており、各辺の縁付近には、辺に平行で細長い二対の貫通孔２２，２４および３２，３４が形成されている。この二対の貫通孔２２，２４および３２，３４は、積層体が形成された際、積層体を積層方向に貫通する酸化ガス（空気等の酸素を含有するガス
）の給排用流路２２ａ，２４ａおよび燃料ガス（メタノール改質ガス等の水素を含有するガス）の給排用流路３２ａ，３４ａを形成する。集電極２０のガス拡散電極１４と接触する面（図２の表示面）の一対の貫通孔２２と２４との間には、一対の貫通孔３２，３４の長手方向と平行に配置された複数のリブ２６が形成されている。このリブ２６は、ガス拡散電極１４とで酸化ガスの通路２８を形成する。また、集電極２０のガス拡散電極１４と接触する面（図２の裏面）の一対の貫通孔３２と３４との間には、一対の貫通孔２２，２４の長手方向と平行（リブ２６と直交する方向）に配置された複数のリブ３６が形成されている。このリブ３６もリブ２６と同様に、ガス拡散電極１４とで燃料ガスの通路３８を形成する
。
【００１７】
エンドプレート５０は、樹脂により正方形の板状に形成されており、４つの辺のうち隣接する２つの辺の縁付近の中央に円形の貫通孔５２，５４が形成されている。図１中左側のエンドプレート５０の貫通孔５２は積層体に形成される酸化ガスの給排用流路２２ａと連絡しており、貫通孔５４は燃料ガスの給排用流路３２ａと連絡している。図示しないが、図１中右側のエンドプレート５０の貫通孔５２は、酸化ガスの給排用流路２４ａと連絡しており、貫通孔５４は燃料ガスの給排用流路３４ａと連絡している。
【００１８】
被覆層６０は、絶縁性材料であるゴム（例えば、ニトリルゴム，スチロールゴム，シリコーンゴム，フッ素ゴム，ポリアクリレートゴム，エチレンプロピレンゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム等）により形成されている。被覆層６０は、電解質膜１２，ガス拡散電極１４，集電極２０をシール部材４０と共に複数積層し、両積層端にエンドプレート５０を取り付けた後に、積層体１０の積層方向に沿った４つの側面にシート状のゴムを接着固定することにより形成される。被覆層６０は、図３に示すように、積層体１０の側面を完全に覆うように形成される。
【００１９】
こうして構成された積層体１０の両積層端に取り付けられたエンドプレート５０の貫通孔５２，５４に、酸化ガスおよび燃料ガスを給排する図示しない酸化ガス給排装置および燃料ガス給排装置を接続し、積層体１０の酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａの一方から酸化ガスを供給すると共に燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａの一方から燃料ガスを供給すれば、酸化ガスの通路２８および燃料ガスの通路３８を介して電解質膜１２を挟んで対峙する２つのガス拡散電極１４にそれぞれ酸化ガスおよび燃料ガスが供給され、積層体１０は、次式（１）および（２）に示す反応により、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００２０】
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                   …（２）
【００２１】
以上説明した参考例としての燃料電池によれば、ゴムにより形成された被覆層６０により積層体１０内部と外部とを遮断することができる。このため、積層体１０に衝撃荷重が作用し、積層体１０の被覆層６０が形成された側面に割れ等が生じても、酸化ガスまたは燃料ガスが、酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａまたは燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａから漏れるの防止することができる。また、被覆層６０を絶縁性材料により形成したので、他の機器等との接触による短絡等の不都合を防止することができ、燃料電池の取扱を容易にすることができる。
【００２２】
この燃料電池では、被覆層６０をゴムにより形成したが、以下に示す実施例においても、樹脂（例えば、エポキシ系，アクリルウレタン系，シリコン系等の樹脂）や、ゴムまたは樹脂を主成分とした接着剤により形成する構成も好適である。また、実施例の燃料電池では、被覆層６０を絶縁性材料により形成したが、集電極２０の外周部を絶縁性材料で形成した場合には、被覆層６０を導電性材料で形成することが可能である。この燃料電池では、被覆層６０を積層体１０の側面にシート状のゴムを接着固定することにより形成したが、ゴムまたは樹脂を主成分とする液状の高分子材料を塗布または吹き付け等により被膜を形成し乾燥して被覆層６０とする構成も好適である。
【００２３】
この燃料電池では、積層体１０の４つの側面のすべてを覆うように被覆層６０を形成したが、被覆層６０を、積層体１０の４つの側面の他エンドプレート５０をも覆うように形成する構成も好適である。また、積層体１０の２つの側面のみに被覆層６０を形成する構成でも差し支えない。この構成を図４および図５に示す。図４は積層体１０の変形例である積層体１１０の斜視図、図５は図４に示す積層体１１０の５−５平面（集電極２０の積層面）における断面図である。図４および図５に示すように、積層体１１０は、その側面のうち集電極２０の貫通孔３２，３４の長手方向と平行な２つの面にのみ被覆層１６０が形成されている。この構成の燃料電池とすれば、積層体１１０に衝撃荷重が作用し、積層体１１０の被覆層１６０を形成した側面に割れ等が生じても、被覆層１６０が燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａと外部とを遮断するから、燃料ガスが燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａから漏れるの防止することができる。
【００２４】
この燃料電池では、積層体１０の４つの側面を１枚のシート状のゴムで覆うようにして被覆層６０を形成したが、複数のシート状のゴムにより２以上に分離した被覆層６０としてもよい。例えば、図６に示す積層体２１０のように、複数の単電池１１からなるモジュール毎に被覆層２６０を形成し、このモジュールを積層し、その積層端にエンドプレート５０を取り付けて積層体２１０としてもよい。この場合モジュールを構成する単電池１１の数は幾つであってもかまわない。
【００２５】
次に本発明の実施例である燃料電池について説明する。図７は、実施例の燃料電池を構成する積層体の断面（集電極２０の積層面における断面）を示す断面図である。第２実施例の燃料電池は、被覆層６０の形成箇所を除いて参考例の燃料電池と同一の構成をしている。したがって、実施例の燃料電池の構成のうち、参考例の燃料電池と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２６】
図示するように、実施例の燃料電池では、集電極２０の貫通孔２２，２４
，３２，３４の内周面のうち集電極２０の縁側の面に第１実施例の被覆層６０と同一の材料により形成された被覆層３６０を備える。被覆層３６０は、電解質膜１２，ガス拡散電極１４，集電極２０およびシール部材４０を積層し、その両積層端にエンドプレート５０を取り付ける前に、集電極２０の貫通孔２２，２４，３２，３４が形成する酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａおよび燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａの内側に管付きのノズルを挿入し、ノズルから液状のゴムを吹き付けて給排用流路２２ａ，２４ａ，３２ａ，３４ａの内側に液状のゴムによる被膜を形成し、これを乾燥して形成される。
【００２７】
以上説明した実施例の燃料電池によれば、酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａおよび燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａの内側のうち集電極２０の縁側に被覆層３６０を形成することにより、積層体に衝撃荷重が作用し、積層体を構成する集電極２０の縁部等に割れ等が生じても、酸化ガスまたは燃料ガスが酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａおよび燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａから漏れるの防止することができる。また、被覆層３６０を絶縁性材料で形成したので、被覆層３６０による単電池間の短絡を生じることがない。したがって、集電極２０の貫通孔２２，２４，３２，３４の形成部を如何なる材料で形成してもよく、設計の自由度を高めることができる。
【００２８】
実施例の燃料電池では、酸化ガスの給排用流路２２ａ，２４ａおよび燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａに被覆層３６０を形成したが、酸化ガスとして空気を用いる場合等では燃料ガスの給排用流路３２ａ，３４ａにのみ被覆層３６０を形成する構成としてもよい。この構成とすれば、実施例の燃料電池に比して被覆層３６０を形成する手間が少なくなり製造工程を簡略化することができる。また、実施例の燃料電池では、集電極２０等を積層した後に管付きノズルを挿入して液状のゴムを吹き付けて被覆層３６０を形成したが、複数の単電池により構成されるモジュール毎に被覆層３６０を形成し、このモジュールを積層して積層体を形成する構成してもよい。
【００２９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００３０】
以上説明した燃料電池によれば、積層体の側面の少なくとも一部を複数の単電池に亘って被覆する弾性体からなる被覆層が積層体と外部とを遮断するので、積層体に衝撃等により割れ等が生じても、この割れ等から燃料が外部に漏れるのを防止することができる。
【００３１】
こうした燃料電池において、被覆層を絶縁性材料とすれば、被覆層による単電池間の短絡を防止することができる。したがって、積層体の外周面を形成する部材は、如何なる材質によって形成してもよく、設計の自由度を高めることができる。また、移動車両へ搭載する場合等に、他の機器と容易に絶縁することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池によれば、燃料の流路の形成面の少なくとも一部を被覆するゴム、樹脂、あるいはゴムまたは樹脂を主成分とした接着剤のいずれかからなる被覆層が燃料の流路内と外部とを遮断する。
【００３３】
本発明の燃料電池において、被覆層を絶縁性材料とすれば、被覆層による部材間の短絡を防止することができる。したがって、燃料の流路を形成する部材は、如何なる材質によって形成してもよく、設計の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する積層体１０の構成の概略を示す説明図。
【図２】積層体１０を構成する単電池１１の構成を例示する分解斜視図。
【図３】参考例としての積層体１０断面図。
【図４】参考例の積層体１０の変形例である積層体１１０の斜視図。
【図５】図４に示す積層体１１０の５−５平面の断面図。
【図６】参考例の積層体１０の変形例である積層体２１０の斜視図。
【図７】実施例の燃料電池の積層体の断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…積層体
１１…単電池
１２…電解質膜
１４…ガス拡散電極
２０…集電極
２２，２４，３２，３４…貫通孔
２２ａ，２４ａ…酸化ガスの給排用流路
２６…リブ
２８…通路
３２ａ，３４ａ…燃料ガスの給排用流路
３６…リブ
３８…通路
４０…シール部材
５０…エンドプレート
５２，５４…貫通孔
６０…被覆層
１１０…積層体
１６０…被覆層
２１０…積層体
２６０…被覆層
３６０…被覆層
【図１】
0004548397.tif 000002
【図２】
0004548397.tif 000003
【図３】
0004548397.tif 000004
【図４】
0004548397.tif 000005
【図５】
0004548397.tif 000006
【図６】
0004548397.tif 000007
【図７】
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