(57)【要約】【課題】  金属化合物からなる電解質層を有する燃料電池が、燃料電池の積層方向の締め付け圧力をシール材を介して受け、破損するという課題があった。【解決手段】  金属化合物からなる電解質層を備えた燃料電池の一対のセパレータ間の側面をシールするシール材が接着により設けられており、前記電解質層は側面が、前記シール材と接着しているシール構造とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面にアノード電極を、他方の主面にカソード電極を備えた金属化合物からなる電解質層と、前記アノード電極および前記カソード電極の反電解質層側に各々セパレータを備えた燃料電池において、
対向する前記セパレータの周端部間をシールするシール材を備え、前記シール材と前記電解質層の側面とが接着されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記シール材は、接着剤により接着されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シール材は、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、またはポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータの周端部間には、前記シール材の外周に、さらにガスケットを備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記シール材の一方の側面が電解質層の側面に接着され、前記シール材の各セパレータ対向面と前記各セパレータ周端部との間にガスケットが介装されて、各セパレータの外側から締め付けられることにより、前記シールがなされていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記シール材の接着は、当該シール材を溶融して接着したものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記シール材は、ポリエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、および、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体の何れかであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル構造に関するものであり、特にセルのシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、一対の電極間に電解質を配置して単位セルを構成し、各セルのアノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、カソード電極に酸素を含有する酸化ガスを供給して、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
【０００３】
燃料電池は用いられる電解質の種類によって通常分類される。すなわち、電解質にリン酸を用い作動温度が１９０℃程度で発電を行うリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質にイオン伝導性ポリマーを用いて70℃程度で発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質にイオン伝導性セラミックスを用い、1000℃程度で運転が行われる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などに分類される。
【０００４】
近年、従来よりも低い温度で発電が可能な固体電解質形燃料電池の研究が進められている。特許文献１には、電解質に酸化物プロトン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池であって、室温から500℃未満で電気出力が得られるものが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、300℃以下で高いイオン導電率を示すアニオン伝導塩基性酸化物を電解質として用いた固体電解質型燃料電池が記載されている。
燃料電池の各セルは、アノード電極に供給される水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとが、外に漏れないようにガスの外周部をシールする必要がある。
【０００６】
図５は、従来の一般的な固体高分子形燃料電池の模式図である。イオン伝導性ポリマーからなる電解質層１の両面に、夫々、アノード触媒層２ａまたはカソード触媒層２ｂおよびガス拡散層３からなる電極４ａ，４ｂを備え、さらにその外側にはガス不透過性のセパレータ５が設けられている。セパレータ５の電極４側の面には、ガス流路６となる溝が形成されている。また、電極４ａ，４ｂは、電解質層１およびセパレータ５よりも一回り小さく作製されており、電解質層１の周縁部とセパレータ５の周縁部との間の電極４ａ，４ｂの外周には、シール材７が設けられており、ガス流路６から供給される反応ガスが、外部へ漏れるのを防止するよう構成されている。このような構成の燃料電池を複数個積層して積層方向に締め付けて燃料電池スタックとし、必要な電圧を得ることが一般的に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2004-63460
【特許文献２】ＷＯ2010/007949
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１や２に記載されている比較的低温で作動する固体電解質を用いた固体電解質形燃料電池においては、電解質層として、金属化合物電解質を焼結して形成した電解質板や、金属化合物電解質に樹脂を混合して形成した電解質板を電解質層として用いられる。
【０００９】
これらの電解質板は、割れやすい材料であるため、上述の図５に示す固体高分子形燃料電池と同様な構造の燃料電池を積層して締め付け圧力を加えると、電解質層１のシール材に挟持された周縁部に応力が集中し、電解質板が破損してアノード電極とカソード電極との間でガスが対極側へ漏れるクロスリークが生じることにより、電池の特性が著しく低下して運転不能になる恐れがあった。
【００１０】
そこで、本発明においては、電解質層がシール材により押圧されて破損することのないシール構造を有する燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本願発明においては、一方の主面にアノード電極を、他方の主面にカソード電極を備えた金属化合物からなる電解質層と、前記アノード電極および前記カソード電極の反電解質層側に各々セパレータを備えた燃料電池において、
対向する前記セパレータの周端部間をシールするシール材を備え、前記シール材と前記電解質層の側面とが接着されているシール構造とした。
【００１２】
シール材は、接着剤により接着したものとしてもよく、シール材自体を溶融して接着したものとしてもよい。
前記セパレータの周端部間には、前記シール材の外周に、さらにガスケットを備えることとしても良い。
【００１３】
もしくは、前記シール材の一方の側面が電解質層の側面に接着され、前記シール材の各セパレータ対向面と前記各セパレータ周端部との間にガスケットが介装されて、各セパレータの外側から締め付けられたシール構造としても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属化合物からなる電解質層は、側面でシール材に接着しており、シール材に挟まれて押圧されることが無い。従って、電解質層がシールにより割れることがなく、反応ガスのアノードおよびカソード間のクロスリークを防ぐことができ、高い品質の燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池の模式断面図
【図２】本発明の第１の実施例に係る燃料電池を用いて作製した燃料電池スタックの模式図
【図３】本発明の第２の実施例に係る燃料電池の模式断面図
【図４】本発明の第３の実施例に係る燃料電池の模式断面図
【図５】本発明の第４の実施例に係る燃料電池の模式断面図
【図６】従来の固体高分子形燃料電池の模式断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、電解質層に金属化合物を用いており、この電解質層をシール材で挟まずに、燃料電池の側面に接着したシール材により、燃料電池側面からの反応ガスのクロスリークを防止している点が特徴である。
【００１７】
電解質層としては、NaCo2O4, Bi4Sr14Fe24O56, LaFe3Sr3O10等の金属化合物からなる焼結体を用いることができ、これに限られるものではないが、これと共に燃料電池に用いられるシール材の耐熱温度以下においてイオン伝導性を有するものを用いる。
【００１８】
シール材としては、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等のゴム材料や、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などの樹脂材料など、絶縁性材料が用いられる。また、シール材を接着するのに用いられる接着剤としては、シリコーン接着剤、液体フッ素ゴム、および、エポキシ系接着剤を用いることができる。また、接着剤に替えて両面接着テープを用いても良く、シール材に接着剤が予め塗布されているものを用いても良い。シール材および接着剤はこれらに限られるものではなく、燃料電池の運転温度における耐熱性および絶縁性を有するものであれば使用することができる。
【００１９】
また、接着剤により接着するシール材に代えて、溶融接着可能なシール材を溶融させて燃料電池の側面に接着することとしても良い。このようなシール材として、ポリエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（以下、ＰＦＡという）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などの熱可塑性樹脂を用いることができる。  
【００２０】
以下本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明第１の実施例に係る燃料電池の断面の模式図である。本実施例の燃料電池１０の作製手順を説明する。
まず、ボールミルにより、Ｎａ２ＣＯ３とＣｏＣＯ３粉末をモル比で１：２の割合で混合し、１０００℃で２ｈ焼成した後、粉砕することによりＮａＣｏ２Ｏ４粉末を得た。次に、このＮａＣｏ２Ｏ４粉末を金型により１ＭＰａの圧力で成型し、１辺５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの正方形薄板を得た。これを温度１０００℃で３時間焼成することにより緻密な焼結体とした。そして、この焼結体を本実施例の燃料電池の電解質層１１とした。
【００２２】
次に、ＮａＣｏ２Ｏ４粉末にＰｄを１５ｗｔ％担持したものをエチレングリコールと混合し、これを電解質層１１の一方の表面にスクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施してアノード触媒層１２ａを形成した。
【００２３】
また、電解質膜１１のアノード触媒層１２ａを形成した側と反対側の表面には、ＮａＣｏ２Ｏ４粉末をエチレングリコールと混合したものをスクリーン印刷法により塗布し、これに熱処理を施すことによりカソード触媒層１２ｂを形成した。
【００２４】
そして、アノード触媒層１２ａおよびカソード触媒層１２ｂ夫々の表面に、ガス拡散層１３として電解質層１１と同寸法のカーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰＨ６０）を積層して、触媒層１２ａ, １２ｂおよびガス拡散層１３とからなるアノード電極１４ａおよびカソード電極１４ｂを構成した。さらに、各ガス拡散層１３の表面にセパレータ１５を積層した。
尚、セパレータ１５には、炭素粉末と樹脂からなる材料をモールド成形することにより、反応ガス流路１６を形成したものを使用した。炭素粉末としては燐片状黒鉛紛を用いた。樹脂としてはフェノール樹脂を使用した。これらの燐片状黒鉛紛とフェノール樹脂を混合したコンパウンドをプレス成形して、電解質層１１よりも一回り大きい１辺７０ｍｍの正方形のセパレータ１５とした。
セパレータ１５には、上述のカーボン系のセパレータに替えて、金属を加工した金属製のセパレータも使用可能である。
【００２５】
次に、燃料電池を運転する際に反応ガス流路１６から供給される反応ガスが、電極１４ａ，１４ｂの外周（側面）や、セパレータ１５と電極１４ａ，１４ｂとの接触部外周から漏洩することを防止するためのシール材１７を設けた。シール材１７には、フッ素ゴムを用いた。
【００２６】
シール材１７の接着においては、電解質層１１および電極１４ａ，１４ｂの側面全体に接着剤１８を塗布し、接着剤１８の外側からフッ素ゴム製のシール材１７を貼り、側面全体を気密に覆うように接着した。尚、セパレータ１５とガス拡散層１３との接触部の周縁部からの反応ガスを防ぐように、ガス拡散層１３側面とセパレータ１５との接触部まで接着剤１８およびシール材１７で気密に覆った。
【００２７】
接着剤１８としては、３００℃で耐熱性を有するアレムコボンド５７０（オーデック社製、商品名）が用いられる。
尚、上述のように電解質層１１および電極１４の側面に接着剤１８を塗布することに替えて、シール材１７側に接着剤１８を塗布しておき、これを電解質層１１および電極１４ａ，１４ｂの側面に接着させることとしても良い。
【００２８】
また、フッ素ゴム製のシール材１７は、内周寸法が電解質層１１および電極１４の外周寸法よりも小さい額縁状に成形したものを用いて、これを伸ばして接着剤１８が塗布された電解質層１１および電極１４の外周に被せて接着することもできる。
【００２９】
以上のようにして作製した本実施例の燃料電池１０を複数積層して燃料電池スタック１００を構成した一例を図２に示す。燃料電池スタック１００は、４つの側面の各々にマニホールド１０１（図２では４つのうち１つを図示）が設けられ、ガス入口マニホールドから各反応ガス流路１６へ反応ガスを供給し、反応ガス流路１６を通過した後の反応ガスをガス出口マニホールドに排出させるように構成している。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２の実施例に係る燃料電池を図３（ａ）に示す。実施例１と同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例の燃料電池２０のセパレータ２５は、図３（ｂ）に示すように、反応ガス流路２６を蛇行溝に形成し、蛇行溝の両端に反応ガスマニホールド用の貫通孔を形成した。蛇行溝の最初および最後の直線流路の端部とマニホールドとの間のガス入口部および出口部には、図３（ｃ）に示すフッ素樹脂製の凹部材２８を流路側に凹部が対向するように配置して嵌め込み、これによりガス入口部およびガス出口の表面がセパレータ２５の表面と同じ高さになるようにした。図３（ａ）に示すカソード電極１４ｂ側セパレータ２５は、図３（ｂ）に示す破線Ａ−Ａにおける断面図である。
【００３１】
電解質層１１および電極触媒層１２ａ，１２ｂは、実施例１と同様のものを作製し、これにガス拡散層１３および上述のセパレータ２５を積層した。
次に、ＰＴＦＥシートを短冊状に切り、シール材２７とした。シール材２７の一方の面の２つの長辺に沿って各々接着剤１８を塗布し、さらに電解質層１１の側面にも接着剤１８を塗布した。そして、図３（ａ）に示すように、シール材２７の各長辺とセパレータ２５とを貼り合せ、シール材２７の長辺と平行する中央部を電解質層１１の側面に接着することにより、燃料電池２０の側面をシールした。
【００３２】
次に、２枚のセパレータ２５間の周縁部に、電解質層１１および電極１４を取り囲むように、４本のフッ素ゴム製のガスケット２９（図３（ｄ））を挿入した。ガスケット２９には、予めセパレータ２５の貫通孔と重なる部分に貫通孔が形成されており、両者の貫通孔は連通して、反応ガス流通孔を形成する。
【００３３】
以上のようにして組み立てた燃料電池２０を複数個積層してこれを積層方向に締付けて燃料電池スタックとした。
これにより、電解質層１１の側面とシール材２７との接着部が、アノード電極１４ａとカソード電極１４ｂ間における反応ガスのクロスリークを防ぎ、セパレータ２５とシール材２７との接着部が、燃料電池２０外への反応ガスの漏洩を防ぐシール構造とした。
【００３４】
尚、本実施例に替えて、シール材２７の全面に接着剤１８を塗布して燃料電池２０の側面に接着してもよく、また、燃料電池２０の側面全体およびセパレータ２５のシール材２７との接着部分に接着剤１８を塗布しておき、ここにシール材２７を張り合わせることとしても良い。
【実施例３】
【００３５】
本実施例の燃料電池３０について図４を参照して説明する。実施例１と同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例の燃料電池３０のシール材３７の接着においては、電解質層１１および触媒層１２ａ，１２ｂの側面全体に接着剤１８を塗布し、接着剤１８の外側からフッ素ゴム製のシール材３７を貼り、電解質層１１および触媒層１２ａ，１２ｂの側面全体を気密に覆うように接着した。セパレータ１５とシール材３７の間には、額縁状のゴム製のガスケット３９を積層して、これを対向する両セパレータの外側から締め付けることにより、セパレータ周端部間のシールを行なった。
【００３６】
尚、本実施例においては、電解質層１１および触媒層１２ａ，１２ｂの側面全体に接着剤１８を塗布してシール材３７を接着したが、少なくとも電解質層１１側面がシール材３７に接着されていることとすれば、アノードガスとカソードガスとのクロスリークを防ぐことができる。
【実施例４】
【００３７】
本実施例の燃料電池４０について図５を参照して説明する。本実施例の燃料電池４０は、シール材４７以外の構成部材は実施例１と同じものを用いて組み立てを行った。
電解質層１１、電極１４ａ，１４ｂおよびセパレータ１５を積層して型内に設置し、電解質層１１、触媒層１２ａ，１２ｂ、およびガス拡散層１３の側面にＰＦＡを用いてシール材層４７を熱溶融成形した。具体的には、ＰＦＡシール材を配置後、ＰＦＡの溶融温度付近でセル自体を熱処理することにより、セル部に接着させた。尚、これに替えて、金型に電池を設置してシール材を射出成型することも可能である。本実施例によれば、シール材層４７は、電解質層１１、触媒層１２ａ，１２ｂ、およびガス拡散層１３の側面に一体に接着形成することができる。
【００３８】
尚、本実施例においては、シール材層４７を型成形したが、これに限られず、溶融したシール材を電解質層１１、電極１４ａ，１４ｂの側面に接着させてシール材層４７を形成することとしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１、１１  電解質層
２ａ、１２ａ  アノード触媒層
２ｂ、１２ｂ  カソード触媒層
３、１３  ガス拡散層
４ａ、１４ａ  アノード電極
４ｂ、１４ｂ  カソード電極
５、１５、２５  セパレータ
６、１６、２６  反応ガス流路
７、１７、２７、３７、４７  シール材
１８  接着剤
２８  凹部材
２９  ガスケット
１０、２０、３０  燃料電池
１００  燃料電池スタック
１０１  マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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