(57)【要約】【課題】  高剛性の燃料電池セパレータを提供する。【解決手段】  固体高分子電解質膜１１ａ及びこの固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード１１ｂ及びカソード１１ｃとからなる膜−電極接合体１１と、前記アノードに接し、前記アノードに燃料ガスを供給するアノード側セパレータ１２と、前記カソードに接し、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレータ１３と、から単セル１０を構成し、この単セルを所定数積層した燃料電池において、前記アノード側セパレータ１２と前記カソード側セパレータ１３のそれぞれの外縁に沿ってフランジ１２ｄ、１３ｄを形成することを特徴とする燃料電池セパレータである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜及びこの固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード及びカソードとからなる膜−電極接合体と、
前記アノードに接し、前記アノードに燃料ガスを供給するアノード側セパレータと、
前記カソードに接し、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレータと、
から単セルを構成し、この単セルを所定数積層した燃料電池において、
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータのそれぞれの外縁に沿ってフランジを形成することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記フランジは、前記フランジが形成された前記いずれかのセパレータが接する前記固体高分子電解質膜側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記フランジの断面形状は、閉断面に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記フランジ内に補強部材を設置することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記補強部材は、樹脂材料または前記セパレータの構成材料と同じ材料からなることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとを一体的に成形することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記一体成形時に前記フランジを用いて前記各セパレータの位置決めをすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータ、特に剛性を向上した燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の反応面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
アノード反応：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                        （１）
カソード反応：２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ      （２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
ところで、アノードに水素を供給するアノード流路及びカソードに空気を供給するカソード流路はそれぞれ別個のセパレータにより形成される。ここで、セパレータ成形時にセパレータに反りが生じるとセパレータと各電極との接触面圧にバラツキが生じて接触抵抗が高くなり、発電電圧の低下を招く。また反りが生じたセパレータを組み立てる場合には、反りを修正しながら組み立てることになり、作業効率が低下し、また組立精度が低下するという課題があった。
【０００５】
この課題を解決する技術として反応面の周囲のシール部にリブを形成してセパレータの面剛性を高め、反りを抑制する技術がある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの組み立て時の位置精度が不充分であり、また反応面の周囲のシール部の平面にリブを形成するため、セパレータの大型化を招き、結果として燃料電池スタックが大型化し、スペース効率が低下することになる。
【０００７】
このような問題点を鑑み、本発明では、燃料電池において、セパレータ間の組立精度を向上するともに、燃料電池スタックの大型化を招くことなく、セパレータの剛性を向上する構成を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、固体高分子電解質膜及びこの固体高分子電解質膜を介して対峙するアノード及びカソードとからなる膜−電極接合体と、前記アノードに接し、前記アノードに燃料ガスを供給するアノード側セパレータと、前記カソードに接し、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側セパレータと、から単セルを構成し、この単セルを所定数積層した燃料電池において、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータのそれぞれの外縁に沿ってフランジを形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、各電極のセパレータの剛性を向上するとともに、セパレータの大型化を抑制することができる。またフランジを位置決めに用いて位置精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、燃料電池スタック１を構成するセル積層体１０ａの正面図である。
【００１１】
燃料電池スタック１は、起電力を生じる単位電池としての単セル１０を所定数だけ積層したセル積層体１０ａからなる積層電池である。単セル１０は、それぞれが固体高分子型燃料電池として形成されており、各単セル１０が１Ｖ程度の起電圧を生じる。
【００１２】
燃料電池スタック１は、セル積層体１０ａの両端に集電板２を設置し、絶縁板３を介してエンドプレート４が配置される。さらにスタック１は、セル積層体１０ａを積層方向に締め付けるテンションロッド５を備える。
【００１３】
集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、直列に接続された単セル１０からなるセル積層体１０ａで発電された起電力は、集電板２の端子２ａに接続された図示しない負荷に供給される。
【００１４】
絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、集電板２とエンドプレート４間の絶縁を確保する。
【００１５】
エンドプレート４は、高い剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。
【００１６】
これら集電板２、絶縁板３及びエンドプレート４には、後述する単セル１０の燃料ガス流路６、酸化剤ガス流路７及び冷却媒体流路８に連通する貫通孔が形成される。
【００１７】
図２は本発明の第１の実施形態のセパレータの構成を示すセル積層体１０ａの一部断面図である。
【００１８】
単セル１０は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡという）１１と、このＭＥＡ１１を挟持するアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３から構成される。
【００１９】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード（燃料極）１１ｂ、および電解質膜１１ａの対面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード（空気極）１１ｃとからなる。
【００２０】
電解質膜１１ａは、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２１】
アノード１１ｂおよびカソード１１ｃは、ガス拡散電極であり、ガス拡散層、撥水層、触媒層からから構成される。ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、適当なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。
【００２２】
図２によれば、アノードセパレータ１２は、アノード１１ｂに面し、頂部１２ａと底部１２ｂとから波型に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する燃料ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール１４が設置されるシール部１２ｃから構成される。
【００２３】
アノードセパレータ１２の底部１２ｂは、ＭＥＡ１１のアノード１１ｂに接して、アノード１１ｂに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路６を画成する。また、頂部１２ａが隣接するカソードセパレータ１３の底部１３ｂと接して、単セル１０の熱を放熱する冷媒が流通する冷媒流路８を画成する。
【００２４】
またカソードセパレータ１３も、アノードセパレータ１２と同様に、カソード１１ｃに面し、頂部１３ａと底部１３ｂとから波型に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する酸化剤ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール１４が設置されるシール部１３ｃから構成される。
【００２５】
カソードセパレータ１３の頂部１３ａは、ＭＥＡ１１のカソード１１ｃに接して、カソード１１ｃに酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化剤ガス流路７を画成する。
【００２６】
各電極１１ｂ、１１ｃの反応部の周囲を取り囲むようにシール部１２ｃ、１３ｃが形成され、このシール部１２ｃ、１３ｃの端部、つまり各セパレータ１２、１３の外縁に沿ってフランジ１２ｄ、１３ｄが積層方向に立設される。このフランジ１２ｄ、１３ｄはプレス加工により成形される。
【００２７】
なお、各セパレータ１２、１３は、適当な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料や充分な耐食性を有する金属など他の材料によって形成される。
【００２８】
アノードセパレータ１２のシール部１２ｃとカソードセパレータ１３のシール部１３ｃの間には冷媒流路８からの冷媒の漏洩を防止するシール１５が設けられ、このシール１５の作用により、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３は後述する工法により一体的に成形される。
【００２９】
したがって、本実施形態のセパレータ１２、１３は、燃料ガスまたは酸化剤ガス、及び冷却水が流通する反応部とシール部１２ｃ、１３ｃとからなり、シール部１２ｃ、１３ｃの端部にフランジ１２ｄ、１３ｄを設けた。端部にフランジ１２ｄ、１３ｄを設置したため、セパレータ１２、１３の剛性、特にシール部１２ｃ、１３ｃの剛性を向上した。セパレータ１２、１３の剛性を向上することで、セパレータ成形時の反りを抑制することができる。またフランジ１２ｄ、１３ｄをシール部１２ｃ、１３ｃの端部に形成するようにしたため、シール部１２ｃ、１３ｃの面積が拡大することがなく、各セパレータ１２、１３の大型化を抑制することができる。
【００３０】
ここで、各フランジ１２ｄ、１３ｄは、図２に示すようにフランジ１２ｄ、１３ｄが形成されるセパレータ１２、１３がそれぞれ接するＭＥＡ１１側に形成され、互いが干渉することはない。
【００３１】
図３は、各セパレータの剛性を向上するためにシール部１２ｃ、１３ｃに形成するフランジ１２ｄ、１３ｄの形状の例を示す図である。
【００３２】
（ａ）の形状は、図２に示した第１の実施形態のフランジ形状であり、積層方向に立設するフランジ形状である。
【００３３】
（ｂ）の形状は、（ａ）の形状をさらにセパレータ内側に伸ばし、コ型断面としたフランジ形状であり、（ｃ）の形状は（ｂ）の形状をさらに積層方向に延ばして、閉断面の箱型のフランジ形状としたものである。セパレータの剛性の観点からは、フランジの断面係数を大きくすることができる形状が望ましいことはいうまでもない。
【００３４】
（ｄ）、（ｅ）の形状は、閉断面の他の例を示し、三角形状の閉断面と丸形状の閉断面の例を示す。
【００３５】
（ｆ）の形状は、コ型断面の（ｂ）の形状のフランジに囲まれたスペースに樹脂あるいはセパレータ構成材料と同じ材料等からなる芯材１６を形成したものである。芯材１６を設置することにより、セパレータ１２、１３の剛性をさらに向上することができる。なお、他のフランジ形状内に芯材を設置することが可能であることはいうまでもない。
【００３６】
図４は、各セパレータ１２、１３間の位置決め及びシール１５の塗付方法を説明する図である。
【００３７】
工程（ａ）では、まずセパレータの一方（図ではアノードセパレータ１２）を治具２０上に設置し、燃料ガス流路６を構成する空間内を図示しない真空ポンプ等を用いて真空引きする。この空間を真空にすることでセパレータ１２と治具２０間を固定することができる。
【００３８】
工程（ｂ）では、治具２１、２２を用いてセパレータ１２のフランジ１２ｄを挟持してセパレータ１２を確実に固定する。このとき治具２２が位置決め治具としての機能を備え、この治具２２にフランジ１２ｄが接するようにセパレータ１２を設置し、セパレータ１２の位置決め精度を向上させることができる。
【００３９】
工程（ｃ）では、カソードセパレータ１３のシール部１３ｃに面するアノードセパレータ１２のシール部１２ｃの面にディスペンサ２３を用いて液状のシール１５を塗付する。
【００４０】
続く工程（ｄ）で、アノードセパレータ１２上の所定位置に、アノードセパレータ１２と同様にして治具２６、２７を用いて治具２５に固定したカソードセパレータ１３を設置する。そして治具２０、２５に上下方向の荷重を負荷してアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３を密着させ、シール１５を硬化させ、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３を接着し、一体的に形成する。
【００４１】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池スタックを構成するセル積層体の正面図である。
【図２】セル積層体の一部断面図である。
【図３】シール部に形成するフランジの形状の例を示す図である。
【図４】各セパレータ間の位置決め及びシールの塗付方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池スタック
６  燃料ガス流路
７  酸化剤ガス流路
８  冷媒流路
１０  単セル
１０ａ  セル積層体
１１  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１１ａ  電解質膜
１１ｂ  アノード
１１ｃ  カソード
１２  アノード側セパレータ
１２ａ  頂部
１２ｂ  底部
１２ｃ  シール部
１２ｄ  フランジ
１３  カソード側セパレータ
１３ａ  頂部
１３ｂ  底部
１３ｃ  シール部
１３ｄ  フランジ
１４  シール
１５  シール
【図１】
2007042416.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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