(57)【要約】      （修正有）【課題】シール面圧が均一化されるとともに酸化剤極および燃料極に供給されるガスの量が一定な固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子形燃料電池１は、外周縁部を除いた部分の電解質膜２が両面から酸化剤極６と燃料極４とにより挟持されている膜電極接合体７および上記膜電極接合体を両面から挟持し、中央部にガス流路８，１０が設けられた２枚のセパレータ９，１１から構成され、上記２枚のセパレータの互いに相対する面の間および上記２枚のセパレータの上記外周縁部と相対する面の間にシール部３５が設けられている複数のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、上記シール部に対面する上記セパレータのシール面に上記シール面方向に独立する複数の窪み２３，２４が上記ガス流路を取り囲むように配列される。【選択図】図１
2007059330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周縁部を除いた部分の電解質膜が両面から酸化剤極と燃料極とにより挟持されて構成されている膜電極接合体および上記膜電極接合体を両面から挟持し、中央部にガス流路が設けられている２枚のセパレータを備え、上記２枚のセパレータの互いに相対する面の間および上記２枚のセパレータの上記外周縁部と相対する面の間にシール部が設けられている複数のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、
上記シール部に相対する上記セパレータのシール面にシール面方向に独立する複数の窪みが上記ガス流路を取り囲むように設けられることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
少なくとも１枚の上記セパレータは、上記ガス流路が設けられている面の反対面の中央部に冷却水流路および上記冷却水流路が設けられた面に上記冷却水流路を取り囲む独立する複数の窪みが設けられることを特徴とする請求項１に記載する固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
上記窪みが複数列に並んで設けられ、隣り合う列の上記窪みが交互に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載する固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
上記窪みが上記ガス流路の圧損の大きな部分の近傍を除いて上記シール面に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載する固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子形燃料電池のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子形燃料電池は、酸化剤極および燃料極を外部からシールするために、相対するセパレータの酸化剤極および燃料極に相対する部分を囲繞する外縁部分の間にシール部が設けられており、シール部の内周側部分に電解質膜が介挿されている。そして、締結荷重をかけると、電解質膜がセパレータにより挟まれる領域のシール部が過大に押され、クリープが大きくまたクリープ速度が大となる。その結果、酸化剤極および燃料極に必要な面圧を確保できなくなり、電池性能が悪化するという問題が生じる。
そこで、電解質膜を挟んで対向する２つのセパレータの少なくとも一方のシール面に、シール材溜まり溝を形成し、シール材に過大な荷重がかかる領域では、余剰シール材料はシール材溜まり溝に入り込み、逆にシール材にかかる荷重が少ない場合はシール材がシール材溜まり溝に入り込まないことによって、シール面圧が均一化できる。これにより、電解質膜がある領域だけシール面圧が過大になってシール材料のクリープが増したり、クリープ速度が大になったりすることがなくなり、電池性能が長期にわたって安定する(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６７６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このシール材溜まり溝は、セパレータのシール面に掛かる面圧を均一になるようにするために、シール面方向に連続した溝になっている。そして連続した溝であるので、シール部を形成するときにシール材が所定の量より少ない場合、シール材溜まり溝内に空間が生じる。
一方、セパレータに設けられたガス流路は、複雑な形状に形成されるため圧力損失が大きくなっている。そして、シール材溜まり溝がこのようなガス流路の外周に設けられているため、シール材溜め溝に空間が生じるとその空間がガスの流れる通路となる。この通路を流れるガスは、電池反応に関係せずに通過するので、酸化剤極および燃料極に供給されるガスの量が減少し、電池性能の低下、またはセル面内の温度分布を悪化させるという問題がある。
また、シール材溜め溝に空間が生じないようにシール材を多く塗布するとシール材がシール部を超えて、ガス流路内に流れ込み、流路断面の減少またはガス流路が閉塞されて、ガスの流れの分布を不均一にし、電池性能を低下させるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、シール面圧が均一化されるとともに酸化剤極および燃料極に供給されるガスの量が一定な固体高分子形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る固体高分子形燃料電池は、外周縁部を除いた部分の電解質膜が両面から酸化剤極と燃料極とにより挟持されて構成されている膜電極接合体および上記膜電極接合体を両面から挟持し、中央部にガス流路が設けられている２枚のセパレータを備え、上記２枚のセパレータの互いに相対する面の間および上記２枚のセパレータの上記外周縁部と相対する面の間にシール部が設けられている複数のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、上記シール部に相対する上記セパレータのシール面にシール面方向に独立する複数の窪みが上記ガス流路を取り囲むように設けられる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わる固体高分子形燃料電池の効果は、窪みがシール部を構成するシール材により満たされていなくても、窪みがガスの流れる方向に独立しているので、満たされていない窪みに流れ込むガスが窪みの長さだけ流れて再度酸化剤極または燃料極に戻り、酸化剤極または燃料極に関係しないところをガスが流れることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池の部分断面図である。図２は、実施の形態１に係わるセパレータの平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２のセパレータに対するシール材塗布領域を示す図である。
この発明の実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１は、図１に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜２、電解質膜２の一方の面の中央部に触媒層３が接するように配置される触媒層３が片面に形成される燃料極４、電解質膜２の他方の面の中央部に触媒層５が接するように配置される触媒層５が片面に形成される酸化剤極６から構成される膜電極接合体７を備える。
【０００９】
また、固体高分子形燃料電池１は、膜電極接合体７、膜電極接合体７の一方の面に燃料極４に燃料ガスを供給する燃料ガス流路８が面するように配置される燃料ガス流路８が片面の中央部に形成される燃料ガス用のセパレータ９、膜電極接合体７の他方の面に酸化剤極６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路１０が面するように配置される酸化剤ガス流路１０が片面の中央部に形成される酸化剤ガス用のセパレータ１１から構成されるセル１２を備える。
【００１０】
燃料ガス用のセパレータ９は、燃料ガス流路８が形成される面の反対の面の中央部に冷却水流路１３が形成される。なお、冷却水流路１３を燃料ガス用のセパレータ９に形成しているが、酸化剤ガス用のセパレータ１１に形成してもよいし、両方に形成してもよい。
また、燃料ガス用のセパレータ９は、図２に示すように、燃料ガス用のセパレータ９を厚み方向に貫通する燃料供給マニホールド１５、燃料排出マニホールド１６、酸化剤供給マニホールド１７、酸化剤排出マニホールド１８、冷却水供給マニホールド１９、冷却水排出マニホールド２０が設けられている。そして、燃料ガス用のセパレータ９の燃料ガス流路８が形成されている面において燃料ガス流路８の両端に燃料供給マニホールド１５と燃料排出マニホールド１６が接続されている。
【００１１】
また、燃料ガス用のセパレータ９は、燃料ガス流路８が形成されている面に燃料ガス流路８を取り囲む複数の窪み２３が形成されている。この窪み２３は、図３に示すように、セパレータ９の厚み方向の断面形状は矩形状で、シール面方向の平面形状は楕円である。そして、この窪み２３は、シール面において開口を閉じると隣接する窪み２３との間で流体が流れないという意味で他の窪み２３に対して独立している。多孔体の表現において用いられる独立空孔と同一の意味で用いている。
なお、独立した窪み２３は、厚み方向の断面形状が矩形状で、シール面方向の平面形状が楕円のものについて説明したが、断面形状が半円、三角形、多角形または湾曲状、平面形状が矩形状または円形でもあってもよい。
【００１２】
また、燃料ガス用のセパレータ９は、冷却水流路１３が形成されている面において冷却水流路１３の両端に冷却水供給マニホールド１９と冷却水排出マニホールド２０が接続されている。さらに、燃料ガス用のセパレータ９は、冷却水流路１３が形成されている面に冷却水流路１３を取り囲む複数の窪み２４が形成されている。この窪み２４も窪み２３と同様に独立したものである。さらに、燃料ガス用のセパレータ９は、窪み２４を取り囲む外周縁部２５が彫り込まれて厚みが他に比べて薄くなっている。
【００１３】
また、酸化剤ガス用のセパレータ１１は、図示しないが、セル１２として組み立てたとき燃料ガス用のセパレータ９と同じ位置に厚み方向に貫通する酸化剤供給マニホールド、酸化剤排出マニホールド、燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールドが設けられている。そして、酸化剤ガス用のセパレータ１１の酸化剤ガス流路１０が形成されている面において酸化剤ガス流路１０の両端に酸化剤供給マニホールドと酸化剤排出マニホールドが接続されている。さらに、酸化剤ガス用のセパレータ１１は、燃料ガス用のセパレータ９と同様に酸化剤ガス流路１０が形成されている面において酸化剤ガス流路１０を取り囲む複数の窪み２６が形成されている。この窪み２６も窪み２３と同様に独立したものである。
【００１４】
この実施の形態１に係わるセル１２は、燃料ガス用のセパレータ９と酸化剤ガス用のセパレータ１１とが直接相対するそれぞれのＡシール面２７の間および燃料ガス用のセパレータ９と酸化剤ガス用のセパレータ１１とが電解質膜２を介在して相対するそれぞれのＢシール面２８の間にシール部３０が設けられている。そして、シール部３０により酸化剤ガスと燃料ガスとの直接の接触を防止し、さらに酸化剤ガスおよび燃料ガスの外部への漏れを防止する。
このシール部３０は、シール部３０を設ける過程でシール部３０を構成するシール材が窪み２３、２６に流れ込んで全部または一部を埋めた部分も含まれる。
【００１５】
この実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１は、複数のセル１２からなるスタック３２を備える。そして、セル１２の燃料ガス用のセパレータ９の外周縁部２５とその外周縁部２５に対面するそのセル１２に隣接するセル１２の酸化剤ガス用のセパレータ１１の面との間に冷却水用のシール部３５が設けられている。この冷却水用のシール部３５により冷却水が隙間を伝って漏れることを防止する。
この冷却水用のシール部３５は、冷却水用のシール部３５を形成する過程で冷却水用のシール部３５を構成するシール材が窪み２４に流れ込んで全部または一部を埋めた部分も含まれる。
【００１６】
次に、シール部３０を形成する方法について説明する。なお、セル１２の組立について説明し、スタック３２の組立も同様であるので省略する。
図４に示す燃料ガス用のセパレータ９のシール材塗布領域３７にシール材を塗布する。このシール材塗布領域３７は、窪み２３、燃料供給マニホールド１５、燃料排出マニホールド１６、酸化剤供給マニホールド１７、酸化剤排出マニホールド１８、冷却水供給マニホールド１９、冷却水排出マニホールド２０を取り囲んでいる。同様に酸化剤ガス用のセパレータ１１のシール材塗布領域にもシール材を塗布する。この酸化剤ガス用のセパレータ１１のシール材塗布領域も燃料ガス用のセパレータ９のシール材塗布領域３７と同様である。
次に、水平に配置した膜電極接合体７の上下からシール材を塗布した燃料ガス用のセパレータ９と酸化剤ガス用のセパレータ１１とをシール材が塗布された面が相対するように重ね合わせる。
次に、このように重ね合わされた燃料ガス用のセパレータ９、膜電極接合体７、酸化剤ガス用のセパレータ１１を上下から加圧してプレスする。このとき、シール材は高さが低くなる分面積が拡がり、窪み２３と窪み２６に向かって拡がったシール材は窪み２３と窪み２６の中に流れ込む。
次に、プレスしながら加熱してシール材を硬化してシール部３０の形成が完了する。
【００１７】
このように形成されたシール部３０は、シール材の塗布量や構成部材の寸法のばらつきを窪み２３と窪み２６に流れ込むシール材の量により吸収し、窪み２３と窪み２６より内側にはシール材が拡がらないので、シール材が燃料ガス流路８および酸化剤ガス流路１０を閉塞することはない。
また、一部しかシール材により埋められていない窪み２３と窪み２６は、それぞれの窪み２３と窪み２６は独立し、窪み２３と窪み２６を流れるガスは窪み２３、２６の境界でシール面に戻ので、供給されたガスのうち窪み２３、２６に一旦流れたガスも酸化剤極６および燃料極４に戻って電池反応に寄与し、電池性能の安定化をはたすことができる。
【００１８】
この発明に係わる固体高分子形燃料電池１の効果は、窪み２３、２６がシール部３０を構成するシール材により満たされていなくても、窪み２３、２６がガスの流れる方向に独立しているので、シール材により満たされていない窪み２３、２６に流れ込むガスが窪み２３、２６の長さだけ流れて再度酸化剤極６または燃料極４に戻り、酸化剤極６または燃料極４に関係しないところをガスが流れることを防止できる。
【００１９】
また、冷却水流路１３が設けられる面に冷却水流路１３を取り囲む複数の窪み２４が設けられているので、シール材の拡がりのばらつきを吸収できるとともにシール材により満たされない窪み２４が独立しているので、窪み２４に流れ込んだ冷却水も冷却水流路１３に戻り、電池反応による熱を発する燃料極４および酸化剤極６を直下から冷却することができる。
また、窪み２３、２６が設けられることにより、シール部３０に過大な荷重が加わる領域では余剰のシール材は窪み２３、２６に入り込み、逆にシール部３０に加わる荷重が少ない領域ではシール材が窪み２３、２６に入り込まないので、シール面圧が均一化できる。
【００２０】
なお、実施の形態１では、窪み２３、２６を燃料ガス用のセパレータ９および酸化剤ガス用のセパレータ１１に設けたものについて説明したが、膜電極接合体７に設けても、実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１と同様の効果がある。
また、燃料ガス用のセパレータ９および酸化剤ガス用のセパレータ１１と膜電極接合体７の両方に窪み２３、２６を設けても、実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１と同様な効果がある。
また、平行するガス流路がないシール材塗布領域３７に対してはシール材がガス流路に流れ込むことがないので、その位置に窪みを設けなくてもよい。
また、実施の形態１では、燃料ガス用のセパレータ９と酸化剤ガス用のセパレータ１１は２枚のものであるが、両面に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を設けた１枚のものであっても、それら流路を取り囲むように窪みを設けることにより実施の形態１と同様な効果が得られる。
【００２１】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係わる燃料ガス用のセパレータの平面図である。
この発明の実施の形態２に係わる固体高分子形燃料電池は、実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１と燃料ガス用のセパレータ９Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わる燃料ガス用のセパレータ９Ｂは、図５に示すように、実施の形態１に係わる燃料ガス用のセパレータ９と窪み２３の配列の様子が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
燃料ガス用のセパレータ９Ｂでは、独立する複数の窪み２３が複数列に並んで設けられ、隣り合う列の窪み２３が交互に配置するように並べられ、燃料ガス流路８が並べられた窪み２３により取り囲まれている。
【００２２】
このような固体高分子形燃料電池は、窪み２３が複数列に並んで設けられ、隣り合う列の窪み２３が交互に配置するように並べられており、シール材が燃料ガス流路８に向かって流動しても、向かう方向には窪み２３が待ち受けるので、燃料ガス流路８へのシール材の流入を防ぐことができる。
なお、実施の形態２に係わる燃料ガス用のセパレータ９Ｂでは、独立する複数の窪み２３が複数列に並んで設けられ、隣り合う列の窪み２３が交互に配置するように並べられているが、３列、４列など複数列にすることに因りより確実にシール材の燃料ガス流路８への流入を防ぐことができる。
また、実施の形態２に係わる固体高分子形燃料電池では、燃料ガス用のセパレータ９Ｂの窪み２３を２列に並べているが、酸化剤ガス用のセパレータの窪みを複数列に並べることにより、シール材の酸化剤ガス流路１０への流入を防ぐことができる。
また、燃料ガス用のセパレータ９Ｂの窪み２４を複数列に並べることにより、シール材の冷却水流路１３への流入を防ぐことができる。
【００２３】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係わる燃料ガス用のセパレータの平面図である。
この発明の実施の形態３に係わる固体高分子形燃料電池は、実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池１と燃料ガス用のセパレータ９Ｃが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態３に係わる燃料ガス用のセパレータ９Ｃは、図６に示すように、実施の形態１に係わる燃料ガス用のセパレータ９と窪み２３が設けられている位置が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
燃料ガス用のセパレータ９Ｃでは、並行する２つの燃料ガス流路８間で圧力差が発生する部分に窪み２３を設けることを除外している。
【００２４】
このような固体高分子形燃料電池は、圧力損失の大きな燃料ガス流路８の部分の近傍には窪み２３が設けられていないので、燃料ガスをそのまま燃料ガス流路８内に流すことができる。
なお、実施の形態３に係わる固体高分子形燃料電池では、燃料ガス用のセパレータ９Ｃの窪み２３を圧力損失の大きな燃料ガス流路８の部分の近傍を除外して設けているが、酸化剤ガス用のセパレータ１１の窪み２６を圧力損失の大きな酸化剤ガス流路１０の部分の近傍を除外して設けることにより、酸化剤ガスをそのまま酸化剤ガス流路１０内に流すことができる。
また、燃料ガス用のセパレータ９の窪み２４を圧力損失の大きな冷却水流路１３の部分の近傍を除外して設けることにより、冷却水をそのまま冷却水流路１３内に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる固体高分子形燃料電池の部分断面図である。
【図２】実施の形態１に係わるセパレータの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のセパレータに対するシール材塗布領域を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係わるセパレータの平面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係わるセパレータの平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  固体高分子形燃料電池、２  電解質膜、３、５  触媒層、４  燃料極、６  酸化剤極、７  膜電極接合体、８  燃料ガス流路、９、１１  セパレータ、１０  酸化剤ガス流路、１２  セル、１３  冷却水流路、１５  燃料供給マニホールド、１６  燃料排出マニホールド、１７  酸化剤供給マニホールド、１８  酸化剤排出マニホールド、１９  冷却水供給マニホールド、２０  冷却水排出マニホールド、２３、２４、２６  窪み、２５  外周縁部、２７  Ａシール面、２８  Ｂシール面、３０、３５  シール部、３２  スタック、３７  シール材塗布領域。
【図１】
2007059330.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007059330.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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