(57)【要約】【課題】セパレータ同士が電気的に接触することなく、取扱い時及び運転時にバラバラにならない強度を有し、作業性が良好な燃料電池の単位セル構造を提供する。【解決手段】電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池において、金属セパレータの少なくとも一方の外周部に、折り曲げることにより対向する金属セパレータを保持し得る複数の折り曲げ領域を設ける。【選択図】図２
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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る電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池において、
前記金属セパレータの少なくとも一方の外周部に、折り曲げることにより対向する金属セパレータを保持し得る複数の折り曲げ領域を設けたことを特徴とする燃料電池の単位セル構造。
【請求項２】
前記金属セパレータは、外周縁部が絶縁樹脂により被覆され、さらに、この樹脂被覆上に、弾性体からなるシール材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の単位セル構造。
【請求項３】
前記絶縁樹脂の被覆は、絶縁性を有する熱可塑性樹脂フィルムを金属セパレータ表面に積層し、加熱融着させたものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の単位セル構造。
【請求項４】
前記弾性体は、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の単位セル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード及びカソードを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで狭持した燃料電池の単位セル構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ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（電解質・電極構造体）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。
【０００３】
この単位セルでは、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスにおける水素が電極触媒上でイオン化され、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ーとして利用される。なお、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が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
このような単位セルは、燃料電池において、通常、数十〜数百個が積層されてスタックを構成しており、各単位セル同士を正確に位置決めする必要がある。このような要求を満たす手段としては、保持ピンを利用した単位セル保持手段と、隣接する単位セルを嵌合させる単位セル積層位置決め手段とを備えた固体高分子電解質型燃料電池が、また、単セル構造体の側面に、単セルを圧着固定する端子電極及び圧着部材が設けられた単セルが報告されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００５】
しかしながら、燃料電池における単位セルの積層数が非常に多いことから、上記固体高分子電解質型燃料電池では、組み付け作業が非常に繁雑となり、作業性が低下するという問題を有しており、また、上記単セルでは、端子電極及び圧着部材が離脱し易く、さらに、単セルが相当大型かつ重量化してしまうという問題を有しいる。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するために、一対のセパレータの外周を複数箇所で保持する複数の金属クリップ部材を備えた燃料電池が報告されている（例えば、特許文献３参照。）。この燃料電池によれば、複数の金属クリップ部材を用いることにより、セパレータの外周を強固かつ確実に保持することができ、さらに、単位セルを効率的に組み付けることができるとともに、取扱い作業性も改善されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１２０６７号公報
【特許文献２】特開平７−２９５８０号公報
【特許文献３】特開２００４−２４１２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の燃料電池では、単位セルの結合強度を増加させるために金属性のクリップ部材を使用していることから、挟みつけ力が強い場合には、セパレータの絶縁被覆に座屈による破壊が生じ、発電した電気が短絡してしまい、逆に、挟みつけ力が弱い場合には、金属クリップ部材がセパレータの面方向に移動し得るようになり、セパレータの絶縁被覆が擦動により摩滅し、発電した電気が短絡してしまうといった問題を有している。また、複数の金属クリップを用いるため、部品点数が増加し、作業性が良好ではないといった問題もある。さらに、上記の燃料電池では、単位セルを分解する必要がある場合に、金属クリップ部材の引き抜きが生じ、金属セパレータに形成した絶縁被覆を破損するおそれがあった。
【０００９】
よって、本発明は、セパレータ同士が電気的に接触することなく、取扱い時及び運転時にバラバラにならない強度を有し、作業性が良好な燃料電池の単位セル構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池の単位セル構造は、電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池において、前記金属セパレータの少なくとも一方の外周部に、折り曲げることにより対向する金属セパレータを保持し得る複数の折り曲げ領域を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池の単位セル構造によれば、金属セパレータの少なくとも一方の外周部に設けられた折り曲げ領域を折り曲げることにより、対向する金属セパレータを保持して単位セルを構成するため、単位セルを積層する組み立て時において、電解質・電極構造体と金属セパレータとを一体化することができるのは勿論のこと、金属セパレータ表面に樹脂被覆等を破壊又は破損させるような強い力がかかることがないため、燃料電池において発電した電気を短絡させることを防止できる。また、単位セルを分解する必要がある場合には、折り曲げ領域を元に戻すだけで、安全に電解質・電極構造体と金属セパレータとを分離することができ、分解整備性に優れるという効果も奏する。さらに、本発明によれば、従来の燃料電池のように、別体の保持ピンや金属クリップ部材を用いることがないので、部品点数の削減ができ、組み立て及び分解時の作業性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池の単位セル構造を組み立てる前の状態を示す図であり、図２は、組み立てた後の状態を示す図である。詳細に説明すると、まず、図１に示したような、複数の折り曲げ領域１を有する金属セパレータ２と、折り曲げ領域１を有しない金属セパレータ３とを用意する。そして、これらの金属セパレータ２及び３により、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体（図には示されていない）を狭持し、次いで、図２に示したように、金属セパレータ２側から金属セパレータ３側に折り曲げ領域１を折り曲げ、金属セパレータ３を金属セパレータ２に押し付けて保持する。このように組み立てられた燃料電池の単位セル構造によれば、金属セパレータ２及び３の表面に必要以上の力をかけることなく、電解質・電極構造体と、金属セパレータ２及び３とを一体化できる。また、このように一体化された単位セル構造によれば、電解質・電極構造体の乾燥を防ぐことができるため、燃料電池の製造において大量に必要となる単位セルを作り置きすることができる。
【００１３】
また、分解整備等によりこの単位セル構造を分解する場合には、折り曲げ領域１を元の状態に戻す、つまり、図２に示された状態から図１に示された状態に戻すことにより、金属クリップの引き抜き等による金属セパレータ表面の破壊又は破損を生じることなく、単位セルを容易かつ安全に分解することができる。
【００１４】
本発明における金属セパレータには、従来技術における一般公知の酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔、冷却媒体排出連通孔、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路等が設けられている。また、本発明における金属セパレータとしては、従来技術における一般公知の素材からなるものを用いることができるが、組み立て及び分解回数の耐久性の観点から、ステンレス製のものが好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、金属セパレータの外周縁部が絶縁樹脂により被覆され、さらに、この樹脂被覆上に、弾性体からなるシール材が設けられた構成であることが好ましい。この態様によれば、金属セパレータの外周縁部が絶縁樹脂により被覆されているので、折り曲げ領域を折り曲げて接触させても絶縁が保たれる。上記の絶縁樹脂の被覆は、絶縁性を有する樹脂を金属セパレータ表面に塗工する等一般公知の被覆方法を用いることができるが、絶縁性を有する熱可塑性フィルムを金属セパレータ表面に積層した後、加熱融着することにより被覆することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明においては、弾性体からなるシール材を絶縁樹脂被覆上に設けることにより、シール材の密着性に優れる。また、シール材を絶縁樹脂被覆上に設ける方法としては、接着剤等を介して接着しても、射出成型して設けてもよい。上記の弾性体としては、シリコーンゴムであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明における折り曲げ領域は、一対の金属セパレータの少なくとも一方の外周部に設ける構成であるが、金属セパレータのいずれか一方にのみ設けることが好ましく、このような構成によれば、単位セルの組み立て時において、カソード側の金属セパレータとアノード側の金属セパレータとを取り違えることが防がれるとともに、折り曲げる作業を効率よく行うことができる。
【００１８】
さらに、本発明における折り曲げ領域は、図２に示すような折り曲げられた状態で単位セルを積層した場合に、隣接する単位セルの折り曲げ領域と接触しないように、位置を任意にずらして設けてもよい。
【００１９】
また、本発明における電解質・電極構造体は、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を、アノード側電極及びカソード側電極とにより挟持された構成である。このアノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布した電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜を介装して対向するように、固体高分子電解質膜の両面に接合されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の燃料電池の単位セル構造を組み立てる前の状態を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の単位セル構造を組み立てた後の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１…折り曲げ領域、２及び３…金属セパレータ。
【図１】
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【図２】
2007220626.tif 000004