(57)【要約】【課題】燃料電池の信頼性向上と低コストを達成するための構造を実現する。【解決手段】本発明の燃料電池は、燃料電池の電解質膜−電極接合体の外縁部を枠状に固定するための枠体部材をセパレータに接合して成り、電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体を狭持するセパレータ−枠体部材接合体であって、セパレータは、電解質膜−電極接合体と対向する面に、反応ガスを供給するガス流路と、電極と接触する発電領域と、発電領域を囲む非発電領域とを有し、枠体部材は、発電領域を囲むように非発電領域に接合され、電解質膜−電極接合体の電極よりも外周側の電解質膜と密着する平滑部を有することにより、外部リークによる燃料ガスロスを低減し、燃料電池の信頼性向上に寄与することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータに枠体部材を接合して成り、電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体を狭持するセパレータ−枠体部材接合体であって、
前記セパレータは、前記電解質膜−電極接合体と対向する面に、前記電極に反応ガスを供給するガス流路と、前記電極と接触する発電領域と、前記発電領域を囲む非発電領域とを有し、
前記枠体部材は、前記発電領域を囲むように前記非発電領域に接合され、
前記枠体部材は、前記電解質膜−電極接合体の前記電極よりも外周側の前記電解質膜と密着する平滑部を有する、
セパレータ−枠体部材接合体。
【請求項２】
前記枠体部材の体積固有抵抗が、１．０×１０５Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ−枠体部材接合体。
【請求項３】
前記平滑部の表面粗度Ｒａが０．１〜０．５μｍである請求項１または２に記載のセパレータ−枠体部材接合体。
【請求項４】
前記枠体部材が、熱硬化性弾性体、熱可塑性弾性体または熱可塑性樹脂を含む材料によって構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載のセパレータ−枠体部材接合体。
【請求項５】
前記枠体部材は、前記平滑部を囲み、前記電解質膜−電極接合体を挟持する他方のセパレータ−枠体部材接合体の前記枠体部材と接合される接合部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のセパレータ−枠体部材接合体。
【請求項６】
前記セパレータ−枠体部材接合体は、前記電解質膜−電極接合体よりも外周側に、前記ガス流路と連通し前記セパレータと前記枠体部材を貫通するマニホールドを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載のセパレータ−枠体部材接合体。
【請求項７】
電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を狭持する請求項１から６のいずれか１項に記載のセパレータ−枠体部材接合体とが少なくとも１組以上有する燃料電池。
【請求項８】
前記枠体部材の前記平滑部が、前記電解質膜−電極接合体の前記電極よりも外周側の前記電解質膜と密着し、前記電解質膜−電極接合体を間に挟まずに対向する前記枠体部材同士が、隙間無く接合された請求項７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、電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体を狭持するセパレータに枠体部材を接合した、セパレータ−枠体部材接合体およびこれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる燃料電池である。
【０００３】
この燃料電池は、主として電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体を挟持する一対の板状のセパレータ、即ち、アノードセパレータとカソードセパレータを含む構成のセルを少なくとも１つ具備する。
【０００４】
この電解質膜−電極接合体は、電解質膜と、電解質膜を挟んで両主面に配置されるアノード触媒層とカソード触媒層と、その両外側に配置される、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを備える。その両外側にアノードセパレータおよびカソードセパレータを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層することでスタックが構成される。
【０００５】
また、アノードセパレータおよびカソードセパレータの各々の表面には、燃料電池の電極の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのアノードガス流路およびカソードガス流路が形成される。
【０００６】
燃料電池において、アノード側の燃料ガスは、アノードガス流路より供給し、カソード側の酸化剤ガスは、カソードガス流路より供給する。また、これらのガスは、外部にリークしないようにアノードガスケットおよびカソードガスケットの双方によってシールされている。
【０００７】
発電に寄与する発電領域は、電解質膜−電極接合体をアノードセパレータおよびカソードセパレータで挟持させている領域であり、発電領域の外側の領域は、発電に寄与しない非発電領域である。
【０００８】
発電領域に電解質膜−電極接合体を配置する場合、非発電領域に延長した電解質膜をアノードガスケットおよびカソードガスケットの双方で締結する方法が一般的だが、電解質膜に直接荷重を加える構造となる。局所的な応力が電解質膜に加えられると、膜劣化につながる可能性がある。このため、ガスケットを形成せず、ガス流路の形成も容易にする手法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
図１５に従来の燃料電池における燃料電池１００の単位セルを締結した構造の一例を示した断面図を示す。
【００１０】
アノードセパレータ１０１とカソードセパレータ１０２およびアノード用ガス流路１０３とカソード用ガス流路１０４がそれぞれアノード電極１０５およびカソード電極１０６に設けられ、また電解質膜１０７は、アノード電極１０５とカソード電極１０６およびアノードセパレータ１０１とカソードセパレータ１０２によって保持されている。
【００１１】
アノード用ガス流路１０３とカソード用ガス流路１０４がそれぞれアノード電極１０５
およびカソード電極１０６に設けられることで、ガス流路の形成が容易であり、燃料電池用単位セルの軽量化に寄与することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−４３８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記従来の構成では、アノードセパレータ１０１とカソードセパレータ１０２で電解質膜１０７を直接締結する構造となっており、アノードセパレータ１０１やカソードセパレータ１０２に凹凸がある場合、シールができずに外部へのガス漏れが発生する。このため、アノードセパレータ１０１とカソードセパレータ１０２の電解質膜１０７と接する面の平滑性が必要である。
【００１４】
樹脂とカーボン粒子の混合成形体のアノードセパレータ１０１およびカソードセパレータ１０２は、樹脂単体の成形体と異なり、表面粗度は大きく、アノードセパレータ１０１と電解質膜１０７およびカソードセパレータ１０２と電解質膜１０７との間にガスが漏れ出る経路が生じやすいため、電池性能の信頼性が保持できず、またセパレータ表面の平滑性を付与するためには、精密加工が必要となるため、コストが上昇するという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体と平滑面を有する枠体との隙間からのガスリークを抑制するセパレータ−枠体部材接合体およびこれを用いた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】
【００１６】
上記従来の課題を解決するために、本発明は、セパレータ上に一体成形された枠体部材を備えた、セパレータ−枠体部材接合体であって、電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体を狭持する構造を成し、セパレータは、電解質膜−電極接合体と対向する面に、反応ガスを供給するガス流路と、電極と接触する発電領域と、発電領域を囲む非発電領域とを有し、枠体部材は、発電領域を囲むように非発電領域に接合され、枠体部材は、電解質膜−電極接合体の電極よりも外周側の電解質膜と密着する平滑部を有している。
【００１７】
これによって、予め平滑部を有した枠体部材をセパレータに一体成形することで、セパレータの表面平滑性付与のための精密加工が不要になり、コストを低減することができ、また電解質膜−電極接合体の電解質膜と枠体の隙間からのガスリークを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、予め電解質膜と密着する平滑部を有した枠体とセパレータを一体構造とすることで、低コストで電解質膜−電極接合体の電解質膜と枠体との間の隙間を低減させることができ、これらを積層して構成する燃料電池スタックの性能向上がはかれ、発電効率が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの平面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１におけるＡ−Ａ’断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のカソードセパレータの平面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のカソードセパレータの図３におけるＢ−Ｂ’断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図
【図６】本発明の実施の形態２におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図
【図７】本発明の実施の形態３におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの平面図
【図８】本発明の実施の形態３におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータのアノードマニホールドを含む図７におけるＣ−Ｃ’部分断面図
【図９】本発明の実施の形態４におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図９におけるＤ−Ｄ’断面図
【図１１】本発明の実施の形態５におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図
【図１２】本発明の実施の形態５におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１１における別の形態のＥ−Ｅ’断面図
【図１３】本発明の実施の形態６におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図
【図１４】本発明の実施の形態６におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１３における別の形態のＦ−Ｆ’断面図
【図１５】従来の燃料電池における燃料電池単位セルの締結した構造の一例を示した断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１の発明は、燃料電池の電解質膜−電極接合体の外縁部を枠状に固定するための枠体部材をセパレータに接合して成り、電解質膜の両主面に電極が接合された電解質膜−電極接合体を狭持するセパレータ−枠体部材接合体であって、セパレータは、電解質膜−電極接合体と対向する面に、反応ガスを供給するガス流路と、電極と接触する発電領域と、発電領域を囲む非発電領域とを有し、枠体部材は、発電領域を囲むように非発電領域に接合され、電解質膜−電極接合体の電極よりも外周側の電解質膜と密着する平滑部を有するものである。
【００２１】
これにより、予め平滑部を有した枠体部材をセパレータに一体成形することで、セパレータの表面平滑性付与のための精密加工が不要となって、コスト低減することができ、また電解質膜−電極接合体の電解質膜と枠体の隙間からのガスリークを抑制させることができ、電池性能を向上させることができる。
【００２２】
第２の発明は、特に、第１の発明における、枠体部材の体積固有抵抗を、１．０×１０５Ω・ｃｍ以上とするものである。
【００２３】
これにより、電気絶縁性を有することとなり、単セルを複数直列に積層したスタックを構成する場合、組立容易性と電池性能ロスを低減できる。
【００２４】
第３の発明は、第１または第２の発明における、平滑部の表面粗度Ｒａが、０．１〜０．５μｍにするものである。
【００２５】
これにより、電解質膜−電極接合体の電解質膜を保持する場合に、電解質膜へのダメージの軽減および平滑部との密着性を向上するとともに枠体−枠体の密着性も向上させることができる。
【００２６】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明における、枠体部材を熱硬化性弾性体、熱可塑性弾性体または熱可塑性樹脂を含む材料で構成するものである。
【００２７】
これにより、枠体部材を別部品とすることなく、セパレータに一体成形することができるため、燃料電池の低コスト化に寄与することができる。
【００２８】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明における、枠体部材が、平滑部を囲み、電解質膜−電極接合体を挟持する他方のセパレータ−枠体部材接合体の枠体部材と接合される接合部を有するものである。
【００２９】
これにより、アノードからカソードへのガスリークを抑制することができ、電池性能の向上と燃料電池部材の耐久性向上に寄与することができる。
【００３０】
第６の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明における、セパレータ−枠体部材接合体が、電解質膜−電極接合体よりも外周側に、ガス流路と連通し、セパレータと枠体部材を貫通するマニホールドを有するものである。
【００３１】
これにより、マニホールド一体のセパレータ構造にも適応することができ、さらに冷却水が導通する冷却水マニホールドの電気腐食によるセパレータの強度低下を軽減することができるため、燃料電池の信頼性向上に寄与することができる。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの平面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
【００３４】
また、図３は、本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のカソードセパレータの平面図である。また、図４は、本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のカソードセパレータの図３におけるＢ−Ｂ’断面図である。図５は、本発明の実施の形態１におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図である。
【００３５】
図１に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、燃料ガスの導入側アノードスリット部３Ａおよび排出側アノードスリット部３Ｂを有し、発電領域１４へ燃料ガスを供給するためのアノードガス流路６を有している。また、発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を受けるためのアノード側平滑部９を有している。
【００３６】
図２に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、アノード側平滑部９を有するアノード側枠体部材１１と、アノードセパレータ５から成り、双方が貼り合わされ
ている。また、発電領域１４は、アノードガス流路６を有している。また、セパレータの材料は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合した材料を用いる。また、アノード側枠体部材１１の材料は、フッ素系弾性樹脂を用いる。アノード側枠体部材１１の形状は、略矩形環状とする。
【００３７】
図３に示すように、カソードセパレータ−枠体部材接合体２は、酸化剤ガスの導入側カソードスリット部４Ａおよび排出側カソードスリット部４Ｂを有し、発電領域１４へ酸化剤ガスを供給するためのカソードガス流路８を有している。また、発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を受けるためのカソード側平滑部１０を有している。
【００３８】
図４に示すように、カソードセパレータ−枠体部材接合体２は、カソード側平滑部１０を有するカソード側枠体部材１２と、カソードセパレータ７から成り、双方が貼り合わされている。また、発電領域１４は、カソードガス流路８を有している。また、セパレータの材料は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合した材料を用いる。また、カソード側枠体部材の材料は、フッ素系弾性樹脂を用いる。カソード側枠体部材１２の形状は、略矩形環状とする。
【００３９】
図５に示すように、電解質膜−電極接合体２１は、電解質膜１７の両主面にアノード触媒層１６とカソード触媒層１９およびアノードガス拡散層１５とカソードガス拡散層１８で構成されており、アノードセパレータ−枠体部材接合体１とカソードセパレータ−枠体部材接合体２は、発電領域１４で電解質膜−電極接合体２１を締結している。
【００４０】
アノードセパレータ５とアノード側枠体部材１１と、カソードセパレータ７とカソード側枠体部材１２は、それぞれ接合されている。また、アノードセパレータ−枠体部材接合体１のアノード側平滑部９とカソードセパレータ−枠体部材接合体２のカソード側平滑部１０で電解質膜１７が固定されている。
【００４１】
電解質膜−電極接合体２１の両外側の非発電領域１３に、アノード側枠体部材１１とカソード側枠体部材１２を有し、電解質膜１７は、アノード側枠体部材１１とカソード側枠体部材１２で締結されている。また、アノードガス流路６およびカソードガス流路８の反対側に冷却水流路２０が設けられている。
【００４２】
また、アノード側枠体部材１１およびカソード側枠体部材１２の体積固有抵抗は、それぞれ１．０×１０１３Ω・ｃｍとし、アノード側平滑部９およびカソード側平滑部１０の表面粗度は、それぞれ０．３μｍとする。
【００４３】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００４４】
まず、燃料ガスは、導入側アノードスリット部３Ａから、サーペンタイン型のアノードガス流路６へ導かれ、余剰のガスは、排出側アノードスリット部３Ｂから排出される。
【００４５】
また、酸化剤ガスは、導入側カソードスリット部４Ａから、サーペンタイン型のカソードガス流路８へ導かれ、余剰のガスは、排出側カソードスリット部４Ｂから排出される。
【００４６】
また、締結状態では、図５に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１とカソードセパレータ−枠体部材接合体２によって電解質膜−電極接合体２１が挟持されている。アノード側枠体部材１１のアノード側平滑部９とカソード側枠体部材１２のカソード側平滑部１０の間に電解質膜１７の周縁部が密着固定されている。
【００４７】
アノード側平滑部９とカソード側平滑部１０のそれぞれの表面は、キズやカケのない平滑面のため、気泡が入りにくく、アノード側平滑部９およびカソード側平滑部１０と電解質膜１７との界面密着性を高めることができる。
【００４８】
また、発電領域１４と非発電領域１３との境界面は、アノード側枠体部材１１とカソード側枠体部材１２が、締結力によってわずかに水平方向に広がるため、アノードガス拡散層１５とアノード側枠体部材１１およびカソードガス拡散層１８とカソード側枠体部材１２の間の隙間（図示せず）を埋めることで、流路以外のガス回り込みを塞ぐことができる。
【００４９】
これにより、予め平滑部（アノード側平滑部９、カソード側平滑部１０）を有した枠体部材（アノード側枠体部材１１、カソード側枠体部材１２）をセパレータ（アノードセパレータ５、カソードセパレータ７）に一体成形することで、セパレータ（アノードセパレータ５、カソードセパレータ７）の表面平滑性付与のための精密加工が不要になり、コストを低減することができる。
【００５０】
さらにまた、アノードセパレータ５およびカソードセパレータ７のガス流路を除いた厚みを薄くしつつ、非発電領域１３にアノード側枠体部材１１やカソード側枠体部材１２を接合しているため、曲げ方向による破損を抑制することができる。
【００５１】
なお、枠体部材の体積固有抵抗は、１．０×１０５Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。これにより、アノードセパレータ５およびカソードセパレータ７の間の非発電領域に流れる電気の絶縁性を確保でき、燃料電池の信頼性を確保することができる。
【００５２】
また、枠体部材（アノード側枠体部材１１、カソード側枠体部材１２）の曲げ方向の強度は、３．０ＭＰａ以上であることが好ましく、８．０ＭＰａ以上であることがより好ましい。これにより、アノードセパレータ５およびカソードセパレータ７の非発電領域１３のセパレータの曲げ強度をより強固にすることができる。
【００５３】
また、アノード側平滑部９とカソード側平滑部１０の表面粗度Ｒａは、０．１〜０．５μｍであることが好ましい。これにより、電解質膜−電極接合体２１の周縁部の電解質膜１７とアノード側平滑部９とカソード側平滑部１０の密着性を高めることができ、ガスの外部リークを防ぐことができる。
【００５４】
本発明の実施の形態１のセパレータ−枠体部材接合体のセパレータ（アノードセパレータ５、カソードセパレータ７）と枠体部材（アノード側枠体部材１１、カソード側枠体部材１２）は、セパレータ（アノードセパレータ５、カソードセパレータ７）に含まれるバインダー樹脂の融点よりも枠体部材（アノード側枠体部材１１、カソード側枠体部材１２）に用いる樹脂の融点が低い場合、比較的簡便な加熱プレス装置を用いて圧縮成型によって一体化を行うことができる。
【００５５】
なお、加熱加圧を加えて成形する手法は、圧縮成形としたが、インジェクション成形、射出成形、トランスファー成形および粉末成形などを用いてもよい。これら製造方法は、一例であって、セパレータ‐枠体部材接合体を得られるのであれば、これらの工法に限定されない。また、加える圧力は、今回は、５０ＭＰａとしたが、１０ＭＰａから１万ＭＰａ以内であることが好ましい。
【００５６】
また、フッ素ゴム樹脂以外においては、一般的な熱可塑性や熱硬化性の樹脂および接着剤等の化合物を使用することができる。
【００５７】
この他、枠体部材（アノード側枠体部材１１、カソード側枠体部材１２）としては、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂を用いることができる。
【００５８】
また、エラストマーとしては、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。
【００５９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図である。図５のセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図と共通形状の箇所に同じ符号を付与している。
【００６０】
図６に示すように、電解質膜−電極接合体２１は、電解質膜１７の両主面にアノード触媒層１６とカソード触媒層１９およびアノードガス拡散層１５とカソードガス拡散層１８で構成されており、アノードセパレータ−枠体部材接合体１とカソードセパレータ−枠体部材接合体２は、発電領域１４で電解質膜−電極接合体２１を締結している。
【００６１】
アノードセパレータ５とアノード側枠体部材１１と、カソードセパレータ７とカソード側枠体部材１２は、それぞれ接合されている。また、アノード側平滑部９とカソード側平滑部１０で電解質膜１７が固定されるとともに、アノード側平滑部９とカソード側平滑部１０とが。接合面２２で密着している。
【００６２】
また、アノードガス流路６およびカソードガス流路８の反対側に冷却水流路２０が設けられている。その他の構造は、実施の形態１と同様である。
【００６３】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００６４】
図６に示すように、アノード側枠体部材１１のアノード側平滑部９とカソード側枠体部材１２のカソード側平滑部１０は、電解質膜１７と接する面にキズやカケのない平滑面を有しており、さらにアノード側平滑部９とカソード側平滑部１０の対向面もまた平滑面であることで、互いに隙間なく接することができる。
【００６５】
このため、電解質膜１７が非発電領域１３の範囲の全てに密着していない場合であっても、非発電領域１３に設置した電解質膜１７の外縁を密閉できるため、外部へのガスリークを抑制するとともに、電解質膜１７とも密着していることから、アノード側からカソード側への膜を伝ってガスがリークするクロスリークもより効果的に抑制することができ、電解質膜１７の面積を発電領域１４と同程度の大きさにすることができるため、コスト低減にも寄与する。
【００６６】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの平面図である。また、図８は、本発明の実施の形態３におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータのアノードマニホールドを含む図７におけるＣ−Ｃ′部分断面図である。
【００６７】
なお、図１および図３のセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータおよびカソードセパレータを締結した後の断面図と共通形状の箇所に同じ符号を付与している。
【００６８】
図７において、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａと排出側アノードマニホールド３ｂ、導入側冷却水マニホールド２３ａと排出側冷却水マニホールド２３ｂおよび酸化剤ガスの導入側カソードマニホールド４ａと排出側カソードマニホールド４ｂと、また導入側アノードスリット部３Ａおよび排出側アノードスリット部３Ｂを有している。
【００６９】
また、発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、アノード側枠体部材１１（図示せず）が接合されている。この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を設置するためのアノード側平滑部９を有している。また、アノードセパレータ５の発電領域１４には、アノードガス流路６を有している。
【００７０】
図８に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、アノード側平滑部９を有するアノード側枠体部材１１と、アノードセパレータ５から成り、双方は貼り合わされている。また、発電領域１４は、アノードガス流路６を有している。
【００７１】
また、アノードセパレータ−枠体部材接合体１の燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａでは、導入側アノードマニホールド３ａの穴形状と同じ形状でアノード側枠体部材１１とアノードセパレータ５が接合されている。
【００７２】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００７３】
図７および図８に示すように、燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａと排出側アノードマニホールド３ｂ、導入側冷却水マニホールド２３ａと排出側冷却水マニホールド２３ｂおよび酸化剤ガスの導入側カソードマニホールド４ａと排出側カソードマニホールド４ｂにおいて、それぞれアノード側枠体部材１１は同形状で接合されたセパレータと枠体部材を貫通する構造を有する。
【００７４】
アノード側平滑部９に、平滑面を有し、電解質膜（図示せず）と隙間なく接することができるため、マニホールド一体のセパレータ構造にも適応できる。
【００７５】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図である。また、図１０は、本発明の実施の形態４におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図９におけるＤ−Ｄ’断面図である。
【００７６】
図９に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａと排出側アノードマニホールド３ｂ、導入側冷却水マニホールド２
３ａと排出側冷却水マニホールド２３ｂおよび酸化剤ガスの導入側カソードマニホールド４ａと排出側カソードマニホールド４ｂと、また導入側アノードスリット部３Ａおよび排出側アノードスリット部３Ｂを有している。
【００７７】
発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、アノード側枠体部材（図示せず）が接合されている。この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を受けるためのアノード側平滑部９を有している。また、アノードセパレータ５の発電領域１４には、アノードガス流路６を有している。
【００７８】
また、発電領域１４と非発電領域１３の境界線上の周囲に一定間隔でアノード側枠体部材（図示せず）が一部発電領域１４の方向に凸状に張り出している張り出し部２４を有している。
【００７９】
図１０に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、アノード側平滑部９を有するアノード側枠体部材１１と、アノードセパレータ５から成り、双方が貼り合わされている。また、発電領域１４は、アノードガス流路６を有している。また、一部発電領域１４の方向に凸状にアノード側枠体部材１１が張り出している張り出し部２４を有している。
【００８０】
アノードセパレータ−枠体部材接合体１の燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａは、導入側アノードマニホールド３ａの穴形状と同じ形状でアノード側枠体部材１１とアノードセパレータ５が接合されている。
【００８１】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００８２】
図９および図１０に示すように、発電領域１４と非発電領域１３の境界線上の周囲に一定間隔でアノード側枠体部材１１が一部内側に凸状となっている張り出し部２４を有することで、電解質膜（図示せず）の周縁において、アノード側平滑部９との密着する面積を増やすことができる。また、組立工程でのアノードセパレータ５とアノード側枠体部材１１との位置決めがしやすくなり、組立て性の向上に寄与することができる。
【００８３】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図である。また、図１２は、本発明の実施の形態５におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１１における別の形態のＥ−Ｅ’断面図である。
【００８４】
図１１に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａと排出側アノードマニホールド３ｂ、導入側冷却水マニホールド２３ａと排出側冷却水マニホールド２３ｂおよび酸化剤ガスの導入側カソードマニホールド４ａと排出側カソードマニホールド４ｂと、また導入側アノードスリット部３Ａおよび排出側アノードスリット部３Ｂを有している。
【００８５】
発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、アノード側枠体部材（図示せず）が接合されている。この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を受けるためのアノード側平滑部９を有している。また、アノードセパレータ５の発電領域１４には、アノードガス流路６を有している。
【００８６】
また、発電領域１４と非発電領域１３の境界線上の周囲に段差を設けた段差部２５を有
し、段差部２５に一定間隔でアノード側枠体部材（図示せず）が一部発電領域１４の方向に凸状に張り出している張り出し部２４を有している。
【００８７】
図１２に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、アノード側平滑部９を有するアノード側枠体部材１１と、アノードセパレータ５から成り、双方が貼り合わされている。また、発電領域１４は、アノードガス流路６を有している。また、発電領域１４、その周縁にある非発電領域１３の境界面が、厚み方向に勾配を持つ段差構造となっている。その他の構造は、実施の形態４と同様である。
【００８８】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００８９】
図１１および図１２に示すように、発電領域１４と非発電領域１３の境界線上の周囲に一定間隔でアノード側枠体部材１１が一部内側に凸状となっている張り出し部２４を有することで、電解質膜（図示せず）の周縁において、アノード側平滑部９との密着する面積を増やすことができる。
【００９０】
また、発電領域１４、その周縁にある非発電領域１３の境界面が、厚み方向に勾配を持つ段差構造にすることで、アノード側枠体部材１１の厚み方向の位置ズレを抑制しつつ、発電領域と厚み方向の接合面積がより増えるため、接合強度の向上と共にガスリークをより効果的に抑制することができる。
【００９１】
（実施の形態６）
図１３は、本発明の実施の形態６におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの別の形態の平面図である。また、図１４は、本発明の実施の形態６におけるセパレータ一体枠体構造を有する燃料電池のアノードセパレータの図１３における別の形態のＦ−Ｆ′断面図である。
【００９２】
図１３に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、燃料ガスの導入側アノードマニホールド３ａと排出側アノードマニホールド３ｂ、導入側冷却水マニホールド２３ａと排出側冷却水マニホールド２３ｂおよび酸化剤ガスの導入側カソードマニホールド４ａと排出側カソードマニホールド４ｂと、また導入側アノードスリット部３Ａおよび排出側アノードスリット部３Ｂを有している。
【００９３】
発電領域１４の外周には、電極反応に寄与しない非発電領域１３があり、アノード側枠体部材（図示せず）が接合されている。この非発電領域１３に電解質膜（図示せず）を受けるためのアノード側平滑部９を有している。また、アノードセパレータ５の発電領域１４には、アノードガス流路６を有している。
【００９４】
図１４に示すように、アノードセパレータ−枠体部材接合体１は、アノード側平滑部９を有するアノード側枠体部材１１と、アノードセパレータ５とから成り、アノードセパレータ５の外周縁にアノード側枠体部材１１を構成し、それぞれの厚み部分で接合されている。
【００９５】
発電領域１４は、アノードガス流路６を有している。また、アノード側枠体部材１１とアノードセパレータ５の厚み寸法が同じ構造となっている。その他の構造は、実施の形態４と同様である。
【００９６】
以上のように構成されたセパレータ−枠体部材接合体およびセパレータ−枠体部材接合体を用いた燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００９７】
図１３および図１４に示すように、非発電領域１３において、アノード側枠体部材１１が、アノードセパレータ５の厚み方向で接合し、それぞれ同じ厚みにすることで、アノードセパレータ５の発電領域１４にのみ、カーボンセパレータを用いることができ、材料および製造コストを削減することができる。
【００９８】
また発電領域１４と非発電領域１３を含めたセパレータの厚みを薄くすることができることで、厚み方向の抵抗を低減できるため、電池性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、予め電解質膜と密着する平滑部を有した枠体部材をセパレータに一体成形することで、セパレータの表面粗度制御のための加工プロセスのコストを低減すると共に、外部リークによる燃料ガスロスを低減し、必要な供給ガスを有効に活用することで、安定に発電し、燃料電池の信頼性向上と電池性能に寄与することができるため、高信頼性かつ低コスト燃料電池の技術分野に有用である。
【符号の説明】
【０１００】
１  アノードセパレータ−枠体部材接合体
２  カソードセパレータ−枠体部材接合体
５  アノードセパレータ
７  カソードセパレータ
３ａ  導入側アノードマニホールド
３ｂ  排出側アノードマニホールド
３Ａ  導入側アノードスリット部
３Ｂ  排出側アノードスリット部
４ａ  導入側カソードマニホールド
４ｂ  排出側カソードマニホールド
４Ａ  導入側カソードスリット部
４Ｂ  排出側カソードスリット部
６  アノードガス流路
８  カソードガス流路
９  アノード側平滑部
１０  カソード側平滑部
１１  アノード側枠体部材
１２  カソード側枠体部材
１３  非発電領域
１４  発電領域
１５  アノードガス拡散層
１６  アノード触媒層
１７  電解質膜
１８  カソードガス拡散層
１９  カソード触媒層
２０  冷却水流路
２１  電解質膜−電極接合体
２２  接合面
２３ａ  導入側冷却水マニホールド
２３ｂ  排出側冷却水マニホールド
２４  張り出し部
２５  段差部
【図１】
2017139075.tif 000003
【図２】
2017139075.tif 000004
【図３】
2017139075.tif 000005
【図４】
2017139075.tif 000006
【図５】
2017139075.tif 000007
【図６】
2017139075.tif 000008
【図７】
2017139075.tif 000009
【図８】
2017139075.tif 000010
【図９】
2017139075.tif 000011
【図１０】
2017139075.tif 000012
【図１１】
2017139075.tif 000013
【図１２】
2017139075.tif 000014
【図１３】
2017139075.tif 000015
【図１４】
2017139075.tif 000016
【図１５】
2017139075.tif 000017