(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却水から電極や電解質膜への不純物の浸入を防止しつつ、十分なガス気密性を確保できるようにしたシール構造を有する固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】冷却水を通す冷却水マニホールドとガスを通すガスマニホールドとを有する一対のセパレータの間に、固体高分子電解質膜と電極を挟持した構成のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータのガス流路面を周回するガスシールと前記冷却水マニホールドの周囲を周回する冷却水シールとを備えた。また、冷却水シールを固体高分子電解質膜の外縁より外に設けて、電解質膜が冷却水に直接触れない構造にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を通す冷却マニホールドとガスを通すガスマニホールドとを有する一対のセパレータの間に、固体高分子電解質膜と電極を挟持した構成のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータのガス流路面を周回するガスシールと前記冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールとを備え、前記冷媒シールが前記固体高分子電解質膜の外縁より外に設けられ、電解質膜が冷媒に直接触れない構造になっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記ガスシールが前記固体高分子電解質膜の面内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記ガスシールと前記冷媒シールとが非接触で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記ガスシールが前記セパレータに接着されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記ガスシールに突起部を有し、この突起部が前記固体高分子電解質膜に接していることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記ガスシールの前記突起部の先端が平坦な面になっていることを特徴とする請求項５に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記冷媒シールが弾性体よりなり、前記ガスシールが非弾性体よりなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記冷媒シールが熱硬化性材料よりなり、前記ガスシールがゴムよりなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記冷媒シールが非弾性体よりなり、前記ガスシールが弾性体よりなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
前記冷媒シールがゴムよりなり、前記ガスシールが熱硬化性材料よりなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
前記ガスシールが絶縁性を有するシートであり、前記固体高分子電解質膜により圧着されていることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記ガスシールの前記固体高分子電解質膜により圧着される面が平滑な面になっていることを特徴とする請求項１１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
前記冷媒シールによりセパレータ間が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池を搭載した発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子形燃料電池及びそれを搭載した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、出力密度が高い、発電効率が高い、運転温度が７０℃〜８０℃程度と低いので起動時間が短いなどの特長を有する。そのため、電気自動車用電源、業務用の分散電源及び家庭用の分散電源等、幅広い用途が期待されている。
【０００３】
これらの用途の中で、固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源、例えばコジェネレーション発電システムは、固体高分子形燃料電池より電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効に活用しようとするシステムである。
【０００４】
固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源では、使用期間として５０，０００〜１００，０００時間の長寿命が要求される。このために膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと略記する。）、セル構成、発電条件等の改良が進められている。このように寿命を重視した発電システムにおいては、電池出力の低下をもたらす要因を排除する技術が必要になる。
【０００５】
電池出力が低下する要因の一つとして、ガスあるいは冷却水に含まれる不純物や大気汚染物質による電極の触媒不活性化、電解質膜の抵抗増加が考えられる。
【０００６】
燃料ガスに含まれる一酸化炭素あるいは改質ガスの窒素酸化物などが電池に取り込まれると、電極の触媒不活性化や電解質膜の抵抗増加が生じ、これが原因となって次第に電池の出力が低下する。燃料電池の設置環境によっては、大気中の窒素酸化物、硫黄酸化物等の微量の大気汚染物質や、塵のようなものが比較的多く含まれる場合があり、これによっても特に酸化剤側の触媒活性が低下する。
【０００７】
また、冷却水からも微量の不純物が電池内部に取り込まれ、この不純物が電解質膜に浸透あるいは触媒層に付着して、電解質膜の抵抗が増加し、触媒活性が低下する場合もある。特に、長期保管時に水質が低下した場合、あるいは寒冷地において不凍液を冷却水として用いた場合に問題となる。後者の場合は、不凍液中の添加剤が汚染原因物質となる。
【０００８】
なお、冷却水には水だけでなく、有機物質例えばエチレングリコール等の低凝固点の溶媒あるいは、これらの水溶液を含む冷媒なども使用されることがあり、本発明では、これらを使用する場合を含めて冷却水と称する。多くの場合は水が冷媒として固体高分子形燃料電池に多用されているので、以下では水を用いた場合を例にとって説明していく。
【０００９】
本発明では、冷却水中の不純物あるいは凍結防止のために添加した物質による電池出力低下の防止を企図している。それは、以下のような理由による。
【００１０】
ガス中の不純物は改質反応の精密制御、フィルターの使用等によって、その量を少なくすることが容易であり、また、停止期間中のように発電しないときにガスは供給されないので、実質的にガスからの汚染は回避できる。
【００１１】
しかし、冷却水の場合は、発電停止時でも電池内部の残留水によって汚染が生じやすく、また、不凍液を用いたときの添加剤によって電解質膜が汚染されることもある。発電停止時に、電池から冷媒を排出する機構を設けることも考えられるが、システムが複雑になる上に、電池の中から完全に冷媒を除去することは容易ではない。このように電池内部に残留した冷却水に含まれる不純物は、発電停止の繰り返しによって、電解質膜や触媒の性能に徐々に影響を与えてしまう。そのため、冷却水に由来する汚染防止は、ガスからの汚染防止よりも技術的に難しい。
【００１２】
汚染防止に関連する従来技術として、シールの信頼性を高める方法（特許文献１）、システム内に水質を維持する機構を設ける方法（特許文献２）などが開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特許３２９２６７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ゴムなどの弾性体を用いるシール方法により不純物の浸入を防止する場合には、ある程度の高い圧力をシールに加えないと不純物の浸入を防止できない。これは、ゴム等の弾性体には永久ひずみによる変形を生じる特質があり、変形によってシールの圧力が低下してしまうためである。永久ひずみ分を上回る圧縮量が得られるようにシールに圧力を加えて、冷却水とガスの通路に同じ構成のシールを設ければ、初期的にはシール性能を確保することができる。
【００１５】
ところが、このようなシール方法は、長期的には次のような新たな課題を生む。すなわち、シールに与える圧力を大きくすれば、電解質膜への局所的な圧力が発生し、電解質膜の損傷等の新たな問題が生じる。特にガスの気密性を確保するのに必要な圧力を大きく超えた圧力を電解質膜の一部に加えると、当該圧力を加えた部分で電解質膜が損傷し、その損傷部から電池外部へのガスのリーク（外部リーク）、あるいは、電解質膜を介した燃料と酸化剤の間のガス交換（内部リーク）が起こる。
【００１６】
冷却水からの不純物の浸入を抑制するにはシールに加える圧力を高めなければならないが、一方で電解質膜の損傷が起こりやすくなる。逆に、電解質膜への損傷を回避するように圧力を下げると、冷却水からの不純物汚染が起こりやすくなる。このように冷却水からの不純物浸入防止と電解質膜の損傷防止は、圧力に関してトレード・オフの関係にある。
【００１７】
本発明の目的は、冷却水から電極や電解質膜への不純物の浸入を防止しつつ、十分なガス気密性が確保できるようにしたシール構造を有する固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、冷却水等の冷媒を通す冷却マニホールドとガスを通すガスマニホールドとを有する一対のセパレータの間に、固体高分子電解質膜と電極を挟持した構成のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータのガス流路面を周回するガスシールと前記冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールとを備え、前記冷媒シールが前記固体高分子電解質膜の外縁より外に設けられ、電解質膜が冷却水に直接触れない構造になっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池にある。なお、冷却水は水以外の冷媒（エチレングリコールなどの低融点液体およびこれらの溶液または水溶液）に置き換え可能とする。
【００１９】
本発明において、ガスシールは固体高分子電解質膜の面内に設けることが好ましく、またガスシールと冷媒シールとを非接触にすることが好ましい。ガスシールは、前記電解質膜に、液状ガスケットを塗布、乾燥することによって一体的に形成することができる。液状ガスケットの素材としては、シリコンゴム、エチレン・プロピレンゴムなどを選択することができる。
【００２０】
ガスシールは電解質膜上に形成するが、セパレータに接する部分を半円状あるいは凸状（リップ状、ビード状とも呼ばれる）にすると、低い締め付け圧力でガスシールを圧縮することができるので、十分な気密性を得やすくなり好ましい。特に電解質膜は数十μｍの薄さであり、シールの圧力による破損が生じる場合があるので、上述の形状を有するガスシールを用いることが好ましい。セパレータに接するガスシール先端部分をわずかに平坦にすれば、先端部分が電解質膜に加える圧力が均一になるので、電解質膜の破断を防止する上でさらに好ましい。ガスシールの幅をできるだけ小さくしつつ、電解質膜への圧力の均一化を図るために、平坦部の幅としては０．５ｍｍから１０ｍｍ、特に１ｍｍから１．５ｍｍの範囲が適している。
【００２１】
別の形態として、ガスシールを角型断面形状の樹脂製フレームとし、当該フレームをセパレータ面に接着しても良い。接着材としてはエポキシ樹脂等の接着剤を用いる。このような樹脂系ガスケットを用いると、電解質膜に圧着される前記フレームの平坦部の面積を広くしやすくなり、電解質膜へ過大な圧力を加えずに済む。これは、後述のように、冷媒シールにゴム系ガスケットを用いた場合に有効である。なお、前記樹脂系ガスケットは、金型成形法によってセパレータ上に形成しても良い。
【００２２】
ガスシールは、上述のいずれの場合も絶縁性であることが望ましい。良導電性であると、電解質膜が破断したときに、ガスシール同士、あるいはガスシールとセパレータ間が短絡されてしまうからである。このような性質を有するガスシールを電解質膜に一体的に形成すると、部品位置ずれによる、セル電圧のばらつきを低減することができる。
【００２３】
冷媒シールについては、セパレータ面内に当該シールを形成することによって、高精度な電池の組立を可能にし、セル間の電圧ばらつきを低減することができる。例えば、上述の液状ガスケットをディスペンサーなどの機械塗布によりシール部を形成後、溶媒を乾燥することによって、セパレータ面内に冷媒シールを接着させることができる。また、熱可塑性のガスケット材料を金型成形法によりセパレータ面上に形成して冷媒シールを構成しても良い。このようなゴム系ガスケットの他に、エポキシ樹脂などの熱硬化性接着剤を用い、セパレータ面上にディスペンサーにより塗布し、シール部を形成して、樹脂系ガスケットを作製することも可能である。ＭＥＡを介して２枚のセパレータを積層させ、熱硬化処理や紫外線等の光学的硬化処理によって、単セルを製作することができる。
【００２４】
更に、ガスシールと冷媒シールとは、一方が弾性体で構成される場合には他方が非弾性体で構成される、例えば一方がゴムで構成される場合には他方が樹脂で構成されるというように、弾性（圧力に対する圧縮率）の異なる材料で構成することが可能である。
【００２５】
冷媒シールに熱硬化性樹脂シールを用いる場合には、２枚のセパレータの間にＭＥＡを挟持した状態で接合すると、セパレータ間隔はほぼ固定となる。このような場合には、樹脂系ガスケットをガスシールに用いても良い。セパレータ間隔が一定なので、樹脂系ガスケットやセパレータの寸法精度を十分に確保できるのであれば、電解質膜に過大な圧力を加えることがない。
【００２６】
さらに望ましい形態として、ガスシールに圧縮率の大きなゴム系ガスケットを用いる。この場合は、ガスシールの寸法精度の許容範囲が緩和されるので、セパレータの平面度、平行度などの寸法精度が若干低くても、ガスシールが可能となる。この構成によると、低締め付け荷重でありながら、ゴム系ガスケットにて大きな圧縮量を確保でき、ガス気密性を確保できる。過大な圧力が電解質膜に加わることも回避しやすいので、電解質膜の破損防止に有利となる。
【００２７】
次に、圧縮率の大きなゴム系ガスケットを冷媒シールに用いる場合には、十分な圧縮量を得るために、締め付け荷重を高くする。この場合には、電解質膜に接するガスシールに過大な圧力が加わらないようにするために、角型断面を有する樹脂製フレームをガスシールに用いる。これによって、電解質膜に圧着される前記フレームの平坦部の面積を広くしやすくなり、電解質膜へ過大な圧力を加えずに済む。
【００２８】
燃料電池を搭載する製品の耐用年数に応じて、上述のような組合せを選択することができる。基本的考え方として、冷媒シールを先に選定し、それに適合するようにガスシールを決定する。
【００２９】
すなわち、高荷重締め付けを行って冷媒シールからの不純物漏洩を防止する場合には、ゴム系ガスケットを冷媒シールに用いる。この場合はセパレータ間隔が変化しうるので、電解質膜に均等な圧力を加える必要がある。よって、ガスシールには樹脂系ガスケットを選択することになる。
【００３０】
逆に、低荷重締め付けを行って冷媒シールからの不純物漏洩を防止する場合には、樹脂系ガスケットを冷媒シールに用いる。この場合は締め付け圧力が小さいので、ガスシールの選択の範囲が広がる。すなわち、ゴム系でも樹脂系のいずれのガスケットを用いても良い。
【００３１】
中でも、冷媒シールに熱硬化性樹脂シール、ガスシールにゴム系ガスケットまたは樹脂系ガスケットを用いた組合せが、長期耐久性を必要とする燃料電池に有利である。低荷重の締め付けにより気密性を十分に確保できるので、ガスケットの変形による気密不良、ひいては不純物漏洩を回避することができるからである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の固体高分子形燃料電池は、冷媒シールとガスシールとを個別に有し、電解質膜の外縁が冷媒と直接接触しない構造になっているので、冷媒からの不純物が電極や電解質膜へ浸入するのを防止できる。また、冷媒シールとガスシールとを個別に設けたことで機能の異なるシールを組み合わせることが可能となり、十分なガス気密性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明者らは、検討の結果、冷媒中の不純物から電解質膜や電極を保護するためには、冷却水が流通するマニホールドのシールを電解質膜の外縁より外に設け、電解質膜が冷媒に直接触れない構造にすることが有効であるとの考えに至った。本発明は、この考えに基づくものであり、換言すると、冷媒シールとガスシールを機能上、分離させた新たなシール構造を有する燃料電池を提供しようとするものである。
【００３４】
以下では、冷媒に純水を用いたときの典型的な実施例に基づいて本発明の内容を説明する。
【００３５】
冷却水は、冷却マニホールドを通過し、冷却水が流れる流路を有するセパレータに供給され、セパレータ面内より発電時に発生した熱を奪った後、別のマニホールドから電池の外に排出される。
【００３６】
発電セル（単セルとも呼ばれる）は、燃料ガスのマニホールドとその流路を有するセパレータと、酸化剤ガスのマニホールドとその流路を有するセパレータ及びＭＥＡを有し、ＭＥＡが一対のセパレータの間に挟持された構成を有する。この発電セルにて通常、０．５〜０．８Ｖの電圧が発生する。
【００３７】
また、発電セルの燃料ガス流路面あるいは酸化剤ガス流路面の反対側の面すなわち裏面には一般に冷却セルが設けられ、発電セルの熱が除去される。
【００３８】
本発明では、冷却水中の不純物による電解質膜の汚染を回避するために、冷却マニホールドまで電解質膜の外縁を延長させないようにし、電解質膜が冷却水シールと直接的に接触しない構造とした。このように電解質膜を短縮した形状にして、冷媒シール上に電解質膜が存在しないようにした。電解質膜上に冷媒シールを設けると、シールのクリープ（永久ひずみ）により、徐々に冷却水がシールを浸し、ついには触媒層に到達することがあるからである。
【００３９】
また、冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールを設けて、冷却水がＭＥＡ側に流れ込まないようにした。冷却水シールは、冷却水中の不純物をＭＥＡ側に透過させない一種の遮蔽壁の役割を担う。これにより、冷却水中の不純物による電解質膜、電極の汚染を防止することができる。
【００４０】
本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜が冷媒シールから冷却マニホールド側にはみ出ていないので、冷媒シールによって電解質膜が損傷を受けることもない。したがって、冷媒シールの材料の選択幅および締め付け圧力の範囲も広がる。
【００４１】
冷媒シールの材料は、耐水性であることが必要である。また、冷却水が純水以外のものである場合、例えばエチレングリコールなどの有機系液体である場合には、それらの液体に接触した際に膨潤等の変化をしない材料が望ましい。このような要件を満足するシール材料としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などに代表される熱硬化性樹脂、あるいはセパレータに対して接着性のあるゴム材料がある。好適なゴム材料としては、例えばフッ素ゴム、エチレン・プロピレンゴム、シリコンゴムなどを主剤とする液状ガスケットがある。ただし、冷媒（水や有機物質）と冷媒中の不純物に対して劣化しない材料であれば、これらの材料に限定されない。
【００４２】
冷却水シールの材料として、接着性のある熱硬化性樹脂を用い、これによりセパレータ間を接合することにより、外部からの衝撃、振動があっても、セパレータ同士が剥離しにくいので、冷却水の漏洩防止に極めて有効となる。
【００４３】
冷却水シールにゴム材料を用いる場合には、永久ひずみによるゴムの変形量以上の圧縮量が得られるような高い圧力を、シールに加えることが望ましい。また、ゴム材料の弾性を利用してシールをする場合は、ゴムとセパレータが接触する面積を可能な限り小さくし、シールされる部分の圧力を高めることが望ましい。例えば、凸状（リップ状、ビード状とも称される。）にすれば、シールの頂点部分（圧縮されてシール機能を発現する部分）にて圧力を高めることが可能となる。ここで、冷媒シールの頂点部は、セパレータに圧着された際に、０．１〜１ｍｍの小さい線幅になるように形成することが、シール・スペースの低減とシール全体への荷重低減に有効である。
【００４４】
以上の構成を備えた耐水性の冷媒シールを用いることにより、冷却水に含まれる不純物による電解質膜等の汚染を防止し、電池出力の低下を回避することが可能となる。
【００４５】
次に、ガスシールについて説明する。
【００４６】
ガスシールは、セパレータ面内で冷却水シールと干渉しない位置に設けて、機能上、分離した構成にする。そして、ガスシールは電解質膜に密着させる。電解質膜の一方の面に燃料を供給し、他方の面に酸化剤を供給するので、電解質膜上でガスのシールが必須になるからである。このとき、燃料マニホールドの周り、あるいは酸化剤マニホールドの周りであって、電解質膜へシールを圧着させて気密性を得るか、電解質膜上にシールを接着してセパレータ面に圧着させて気密性を得る。
【００４７】
ガスシールについては、冷却水シールの材料に応じて、以下の２つの構成を採ることが望ましい。
【００４８】
冷却水シールに熱硬化性樹脂を用いた場合には、セパレータ間隔を一定に保つことができるので、ガスシールにより電解質膜へ加える圧力を調整することが可能となる。その結果、電解質膜の破損を回避することができる。この場合は、ガスシール材料の圧縮量を規定できるので、ゴム材料を用いても良い。
【００４９】
これに対して、冷却水シールにゴム材料等の弾性材料を用いた場合には、セパレータの間隔を一定値に固定できないこと、および冷却水からの不純物漏洩を防止するために高い圧力で電池を締め付けることから、ガスシールには別の方法を採る必要がある。すなわち、冷却水シールと同じように弾性材料（例えばゴムシール）をガスシールに用いると、２枚のセパレータに加える荷重を増加させたとき、冷却水シールが圧縮されると、同時にガスシールの圧縮量も増加する。この圧縮量が電解質膜の機械的強度の限界値を超えると、電解質膜が損傷する恐れがある。そこで、冷却水シールに弾性材料を用いるときには、ガスシールに弾性を有しない材料、例えば熱硬化性樹脂等の樹脂材料を用い、電解質膜の膨潤作用を利用した新たなガスシール方法を適用して、電解質膜の損傷を回避する。
【００５０】
電解質膜は発電時にある程度の水を含有し、一旦、発電を行ったときには電解質膜中に水を長期にわたって保持する性質がある。水を含んだ電解質膜はわずかに膨張し、ガスの漏れを止めたい部分、例えばセパレータの流路の外周部に挿入、密着されることによって、ガスシール性を発現する。この電解質膜の膨潤作用を利用して、ガスの気密性を高める。
【００５１】
電解質膜の膨潤作用を利用してガスシールを行う場合には、ガスシールに突起部を形成して電解質膜と密着させることが好ましい。突起部の先端は、電解質膜に接するので、可能な限り平坦であることが望ましい。平坦度としては±２０μｍ以内であることが望ましい。これより大きくなると、電解質膜の膨潤による厚さ寸法の増加分を超えてしまうので、密着される部分にて隙間が生じ、ガスのリークが起こりやすくなる。
【００５２】
上述の突起部は、電解質膜の中央部に形成した電極を周回するように形成するのが良い。突起部の材質としては、電池を運転する温度範囲にて化学的、物理的に安定であれば、任意の材料を用いることができる。たとえば、ポリエチレンテレフタレート、４フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエーテルエテールケトン、ポリフェニレンサルファイドなどを適用できる。
【００５３】
以上のような構成のガスシールを用いると、発電時に電解質膜が生成水を含有した際に、電解質膜が膨張し、ガス気密性を確保することができる。生成水による電解質膜の膨潤により、電解質膜がクッションの作用を示し、セパレータと電解質膜の間からガスが漏洩するのを防止することができる。この方法では、セパレータ間隔を一定に保つことが可能となるので、電解質膜への圧力を緩和し、電解質膜の破断を防止することができる。
【００５４】
上述の構成に加えて、以下の方法を採用すると、さらにガスシール性を高めることができる。
【００５５】
１つの方法は、ガスシールの平坦な頂点部分の幅を１ｍｍ以上とし、冷却水ゴムシールの頂点部の幅（加圧時に０．１〜１ｍｍ）よりも大きくする。ガスシールの幅の上限値は、セパレータ面内に余分なシール領域を設けないために、１０ｍｍ以内が適している。
【００５６】
１つの方法は、ＭＥＡを２枚のセパレータの間に組み込む前に、予めセパレータ面内にガスシールを接着しておく。
【００５７】
１つの方法は、電解質膜を介して対向する２枚のセパレータに、ガスシールの平坦部の幅が異なる二種類のシールを用いる。このようにすると、２枚のセパレータの微小な位置ずれがあっても、２つのガスシールが電解質膜を介して密着するようになる。
【００５８】
１つの方法は、ガスシールの平坦部に薄い弾性体（シリコンゴムやエチレン・プロピレンゴム等のゴムや液状ガスケット）を形成する。このようにすれば、セパレータの厚さむらがあり、セパレータ間隔にばらつきが生じても、当該弾性体の圧縮により、ガスの漏洩を防止することができる。このような目的で、弾性体は、リップ状あるいはビード状にして、ガスシールの平坦部に設ける。リップやビード部分の圧縮量は、セパレータの厚さばらつき（通常は±２０〜±５０μｍ）の範囲、あるいはそれ以上に設定すると良い。
【実施例】
【００５９】
第一の実施の形態として、図１（ａ）に燃料ガス流路面を有するセパレータ１０７とその上に形成されたガスシール１０３及び冷媒シール１０６を示した。また、図１（ｂ）に酸化剤ガス流路面を有するセパレータ１０７とその上に形成されたガスシール１０３を示した。図１（ａ）（ｂ）では、典型的な例として、単一プレートにて一方の面に燃料ガス流路面１０４、裏面に酸化剤ガス流路面１０９を形成したバイポーラー型セパレータを示している。このようなセパレータを２個準備し、燃料ガス流路面と酸化剤ガス流路面の間に膜−電極接合体（ＭＥＡ）を挟持させると、図４に示すように発電セルが構成される。なお、燃料ガス流路面を設けたセパレータと酸化剤ガス流路面を設けたセパレータを別個に用意しても良い。
【００６０】
セパレータ１０７にそれぞれ２つ設けられた燃料ガスマニホールド１０１のうち、いずれか一方は発電前の燃料ガスをセル内に導入するための供給用マニホールドであり、他方はセル内で水素が消費された後の排ガスを排出するための排出用マニホールドである。供給側マニホールドと排出側マニホールドは、電池の設計条件によって決定される。本実施例では、図１（ａ）を基準に説明すると、燃料は燃料ガス流路面１０４の右上方の燃料ガスマニホールド１０１から供給され、左下方の燃料ガスマニホールド１０１から排出されるようにした。図１（ｂ）の酸化剤ガス流路面１０９を有するセパレータ１０７に設けられた燃料ガスマニホールド１０１は、単に燃料ガスを通過させるために用いられる。
【００６１】
また、酸化剤は図１（ｂ）に示すセパレータ１０７の酸化剤ガス流路面１０９の左下方に位置する酸化剤ガスマニホールド１０２から供給され、右上方の酸化剤ガスマニホールド１０２から排出されるようにした。燃料ガス流路面１０４を有するセパレータ１０７に設けられている酸化剤ガスマニホールド１０２は、単に酸化剤ガスを通過させるために用いられる。
【００６２】
ガスシール１０３は燃料ガス流路面１０４、酸化剤ガス流路面１０９の両方に形成されている。ここでは、冷媒シール１０６にフッ素ゴムまたはシリコンゴムの液状ガスケットを用いる実施例を示すため、ガスシール１０３は平面状、フレーム構造とした。また、ガスシール１０３の中央に開口窓を設け、この開口窓の下に燃料ガス流路面を有するセパレータ１０７では燃料ガス流路面１０４が露出し、酸化剤ガス流路面を有するセパレータ１０７では酸化剤ガス流路面１０９が露出するようにした。ガスシール１０３の開口窓からＭＥＡの電極層が、ガス流路と密着し、燃料ガス流路面１０４では下記の式１に示す水素の酸化反応が起こり、酸化剤ガス流路面１０９では式２に示す酸素の還元反応が起こる。
【００６３】
Ｈ２  ⇒  ２Ｈ＋    …式１
２Ｈ＋  ＋  １／２  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  ⇒  Ｈ２Ｏ    …式２
ガスシール１０３の一例として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のシートを用いた。ＰＥＴシート（厚さ０．２ｍｍ、公差±０．０１ｍｍ）を、図１（ａ）（ｂ）に示したガスシール１０３の形状に切り出し、それをセパレータ１０７に接着させた。接着剤には、フッ素ゴム系シール剤を用いた。接着剤をセパレータ面に極薄状に塗布した上に、ＰＥＴシートよりなるガスシール１０３を押し付けて接着させた。接着後に全体の寸法を計測し、接着前のセパレータ厚さとＰＥＴ厚さを差し引くことで、接着剤層の平均厚さを求めた。その厚さは０．０５ｍｍ（測定誤差±０．０１ｍｍ）であった。
【００６４】
厚さ精度が高く、燃料電池の動作温度にて熱変形を生じない材料であれば、ＰＥＴ以外の材料であっても用いることができる。例えば、ポリパラフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）も使用可能である。ＰＰＳのガラス転移温度はＰＥＴのガラス転移温度よりも高く、燃料電池の作動温度（７０〜８０℃）より数十℃も高い。そのため、ＰＥＴよりも熱変形に強いので、さらに望ましい。ガラス転移温度が燃料電池の作動温度よりも高ければ、ＰＥＴ以外の高分子樹脂材料を選択することができる。
【００６５】
冷却マニホールド１０５は、セパレータ１０７の平面に垂直の方向に冷却水を通過させるように形成される。セパレータ１０７にそれぞれ２つ形成された冷却マニホールド１０５のうち、いずれか一方は低温水を通過させるための供給用マニホールドであり、他方は発電セルから熱を奪った後の高温水を通過させるための排出用マニホールドである。冷却水は冷媒シール１０６によって電解質膜側への漏洩が抑えられている。なお、電解質膜の外縁は冷媒シール１０６より内側のところにあり、冷媒シール１０６から冷却マニホールド１０５側に延びていない。
【００６６】
冷却マニホールド１０５に隣接する外周部に、冷媒シール１０６としてフッ素ゴムまたはシリコンゴムの液状ガスケットを設けた。液状ガスケットは、線幅１ｍｍ、高さ０．８ｍｍのリップ状（半円形状）とした。液状ガスケットは室温乾燥によって硬化し、冷媒シールとして用いることができる。このように製作したセパレータをセパレータＳ１とする。
【００６７】
ガスシール及び冷媒シールの別の実施形態を図２（ａ）（ｂ）に示す。図２（ａ）は燃料ガス流路面１０４を有するセパレータ１０７とその上に形成されたガスシール１０３及び冷媒シール１０６を示している。図２（ｂ）は図１（ａ）のセパレータの裏面であり、酸化剤ガス流路面１０９を有するセパレータ１０７を示している。
【００６８】
本実施形態では、冷却水マニホールド１０５周りの冷却水シール１０６にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた。冷却水シール１０６は、ディスペンサーを用いてエポキシ樹脂を線状に塗布し、塗布部を半硬化状態にするために予備熱処理を行った。処理温度は８０〜９０℃とした。
【００６９】
一方、ガスシール２０３は、セパレータ１０７の燃料ガス流路面１０４上に多角形の形状で形成した。ガスシール２０３の材料は、フッ素系またはシリコンゴムの液状ガスケットとした。このガスケットは室温乾燥によって硬化し、ガスシールとして用いることができる。冷却水シールが熱硬化性シール材料であるために、弾性を有するガスシールを用いることができる。
【００７０】
酸化剤ガス流路面にはガスシールを設けていないが、燃料ガス流路面のシールよりも幅広のシールを設けても良い。このようにすれば、燃料ガス流路面に形成したガスシールの凸部の位置が若干ずれても、酸化剤ガス流路面のガスシール面から外れてしまうことがなくなる。以上で説明したシール構造を有するセパレータをセパレータＳ２とする。
【００７１】
このような二種類のセパレータＳ１、Ｓ２を準備した後、２枚のセパレータＳ１あるいは２枚のセパレータＳ２の間にＭＥＡを挿入し、図４に示す構造の発電セルを組み立てた。なお、セパレータＳ２を用いた場合には、エポキシ樹脂の本硬化のための熱処理を行い、セパレータ同士を接合した。
【００７２】
次に、冷却水流路を有するセパレータからなる冷却セルの構成を説明する。
【００７３】
図３（ａ）（ｂ）は、冷却セルを構成するセパレータ面を示している。これらセパレータ面が対向することで冷却セルが作られる。図３（ａ）の冷却セルセパレータ３０７は冷却水流路が有しており、図３（ｂ）は図３（ａ）の裏面であり、冷却水流路を有しない平坦面になっている。
【００７４】
冷却水は冷却セルセパレータ３０７にそれぞれ２つある冷却マニホールド３０５のいずれか一方から供給され、冷却水流路３０３を通過した後に他方の冷却水マニホールド３０５から排出される。冷却セルセパレータ３０７は、図１（ａ）に示すセパレータ１０７の燃料ガス流路面１０４の裏面あるいは図１（ｂ）に示すセパレータ１０７の酸化剤ガス流路面１０９の裏面に形成する。
【００７５】
冷却セルと発電セルを組み合わせたコンパクトなセル構造は、以下に説明するような構造にすることが好ましい。なお、冷却セルは、以下のような２種類のセパレータを組み合わせて作ることもできる。
【００７６】
１つは、図１（ｂ）の酸化剤ガス流路面１０９の背面に図３（ｂ）の平坦面としたセパレータを用意する。なお、これをセパレータＡとする。
【００７７】
１つは、図１（ａ）の燃料ガス流路面１０９の背面に図３（ａ）の冷却水流路面を持つセパレータＢを用意する。
【００７８】
冷却セルセパレータの平坦面と冷却水流路面を対向させると、冷却セルを構成することができる。
【００７９】
発電セルの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路面の裏面に冷却セルを設置することで、冷却水流路３０３を通過している間に隣接する発電セルの燃料ガス流路面の背面あるいは酸化剤ガス流路面の背面から余分な熱を除去することができる。
【００８０】
冷却水流路３０３は、セパレータ面内のリブ（凸部）３０４によって区切られている。このリブ（凸部）３０４を通して図面に垂直の方向に電気が流れ、各発電セルが同時に発電できるようにしている。
【００８１】
冷却セルセパレータ３０７の冷媒シール３０６は、冷却水流路３０３の外周部全体、冷却マニホールド３０５を囲うように設け、冷却水が外部に漏れないようにしている。冷却セルでは、電解質膜のシール（ガスシール）を考える必要がないため、図３（ａ）に示したように、冷却水流路面全体を同じシールで製作することができる。すなわち、燃料および酸化剤はこの冷却セルを通過するだけなので、燃料ガスマニホールド３０１と酸化剤ガスマニホールド３０２の周囲に冷媒シールと同じ材料で、ガスシールが形成しても問題がない。
【００８２】
次に発電セルの構成について、図４を用いて説明する。
【００８３】
図４は、酸化剤ガス流路面を有するセパレータ４０７と燃料ガス流路面を有するセパレータ４０１を組み合わせた発電セルの断面形状の一例である。図４において、各セパレータの背面の形状はガスの流路であっても良いし、冷却水の流路であっても良いので、背面の形状は省略した。
【００８４】
これらのセパレータの間に、電極層とガス拡散層からなる電極４０３と電解質膜４０２を一体化したＭＥＡが挿入されている。
【００８５】
セパレータ４０１は図１（ａ）に示した燃料ガス流路面１０４、ガスシール１０３及び冷却水シール１０６を有している。セパレータ４０７は、図１（ｂ）に示すように酸化剤ガス流路面１０９とガスシール１０３を有している。燃料ガス流路面１０４を有するセパレータ４０１上の冷媒シール４０６は、対向するセパレータ４０７の冷却水マニホールド４０５の周囲にある平坦部に圧着または接着される。
【００８６】
このため、冷媒シール４０６の高さはガスシール４０３の一個分の厚さの２倍以上とし、２枚のセパレータが密着されたときに、冷却マニホールド４０５の周囲が冷却水シール４０６で囲われるようにした。このようにして、冷却水の漏洩を防止した。
【００８７】
なお、セパレータが密着状態のときには、図４に示した冷媒シール４０６のように、冷媒シール４０６の高さがガスシール４０４の厚さの２倍とＭＥＡの厚さの和になる。
【００８８】
ガスシール４０４は電解質膜の外縁を圧着するように、セパレータ４０１、４０７の上、電極４０３よりも外側に設けられている。なお、電極４０３は、図１（ａ）（ｂ）に示すガスシールの開口部に存在し、セパレータ４０１またはセパレータ４０７のガス流路面に接する形状になっている。
【００８９】
冷却マニホールド４０５は、ガスシール４０４および電解質膜４０２の端部よりも外側の位置を貫通している。冷却マニホールド４０５の周囲には冷媒シール４０６が設けられている。これによって、ＭＥＡ側への漏水や不純物漏洩が抑制されている。
【００９０】
また、電解質膜４０２の外縁が冷媒シール４０６より内側にあるため、電解質膜が冷却水の不純物により汚染されることがなく、２枚のセパレータ４０１、４０７の間隙にしっかりと固定されているため、冷媒シール４０６の破損、剥離が起こりにくい。その結果、長期の発電後においてもシールからの不純物の漏洩を抑制することができる。
【００９１】
冷媒シール４０６は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂をセパレータ上に塗布、形成後に、熱処理を行うことで形成することができる。セパレータ材料や電解質膜の熱酸化を防止するために、セパレータ等が酸化されない温度で硬化されるシール材を選択することが望ましい。すなわち、フッ素系電解質膜が酸化されない低温帯（８０〜９０℃）で硬化し始めるエポキシ樹脂、液状ガスケット（溶媒にシリコンゴム等を分散させたもの）を使うことができる。また、ガス雰囲気は不活性ガス中が酸化防止に有効であるが、製造プロセスの簡略化のために、大気中でも硬化できるシール材を選ぶのが良い。これにもエポキシ樹脂が優れている。
【００９２】
冷媒シールの材料は、エポキシ樹脂のように流動性のあるものを用いる場合、ディスペンサーによる塗布法やスクリーン印刷による塗布法を採用することができる。また、流動性の低いシール材の場合は、金型を用いて高圧下でシール材をセパレータ上に形成させることも可能である。
【００９３】
シール材を形成後に熱処理を行って硬化させると、２枚のセパレータ４０１、４０７が接着される。なお、シール材の最終処理工程は、熱処理でなくても、シール材が硬化されるいかなる方法であっても良い。
【００９４】
発電セルのみでは電圧が１Ｖ未満と低いので、これらを直列に接続したセルスタックを考え、それに適した発電セルと冷却セルの構成を説明する。
【００９５】
典型例として、以下の（１）ないし（３）に示すようなセパレータを用いれば、数種類のセパレータからセルスタックを組み立てることができる。
【００９６】
（１）  セパレータの「表面」を図１（ｂ）の酸化剤ガス流路面、「裏面」を図３（ｂ）の平坦面とする。これをセパレータＡとする。
【００９７】
（２）  セパレータの「表面」を図３（ａ）の冷却水流路面、「裏面」を図１（ａ）の燃料ガス流路面とする。これをセパレータＢとする。
【００９８】
（３）  セパレータの「表面」を図１（ｂ）の酸化剤ガス流路面、「裏面」を図１（ａ）の燃料ガス流路面とする。これをセパレータＣとする。
【００９９】
ここで、セパレータの表面が右側になるようにセパレータ配列を表記すると、各セパレータを１つずつ用いて、Ａ／／Ｃ／／Ｂの構成にて直列に接続された２つのセルを作ることができる。ただし、二重斜線の／／はＭＥＡが挿入されていることを示す。
【０１００】
このセパレータ配列（Ａ／／Ｃ／／Ｂ）は、右側（Ｃの表面）にＢを追加すると、図３に示す冷却セルを作ることができ、同じ配列のユニット（Ａ／／Ｃ／／Ｂ）を繰り返しつなげることができる。よって、この単位ユニットを用いれば、セル数を増加させることができる。
【０１０１】
別の形態は、図５に示すように、本発明の発電セル（図４）と冷却セル（図３）を組み合わせたセルスタックである。
【０１０２】
本発明の発電セル５０１は、拡大図にて示すように電解質膜５０２、燃料側と酸化剤側の触媒層５０３、ガス拡散層５０６を有する。
【０１０３】
ガスシール５５０、５５１は電解質膜５０２の一部を加圧し、ガスの漏洩を防止している。冷媒シール５０５は、電解質膜５０２の外側に形成され、冷却マニホールド（図５では省略）の外周をシールしている。冷却セル５０８は２つの発電セル５０１毎に設置され、発電セル５０１のセパレータ５０４の背面から熱を除去できるように配置されている。このように複数の発電セル５０１、冷却セル５０８の積層体の外側に集電板５１３、５１４を置き、さらに絶縁板５０７、端板５０９を設置している。最後に、ボルト５１６、ばね５１７、ナット５１８により端板に荷重を加えて、積層体を固定している。
【０１０４】
燃料ガスと酸化剤ガスを端板上に設けた燃料ガス配管用コネクター５１０、酸化剤ガス配管用コネクター５１２から供給すると、集電板５１３、５１４を経て外部電力線５１９から電力を取り出すことができる。この電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはインバータ５２０を介して、外部に設置した負荷５２１に供給される。発電後のガスは、燃料ガス配管用コネクター５２２、酸化剤ガス配管用コネクター５２３から排出される。
【０１０５】
冷却水は端板上に設けた冷却水配管用コネクター５１１から供給され、冷却セルを通過した後に、冷却水配管用コネクター５２４から電池外に排出される。通常は、この冷却水を熱交換器にて放熱させた後に、冷却水配管用コネクター５１１に再供給する方法が採られ、冷却水は循環水として使われることが一般的である。
【０１０６】
本発明のセルスタックの構成によると、水にエチレングリコール等の低融点物質を添加した冷却水を用いても、図１（ａ）に示す冷媒シール１０６にて低融点物質のセルへの漏洩を防止することができる。その結果、低融点物質が電極や電解質膜の劣化をもたらす不純物として働く物質であっても、電極等との接触をほぼ完全に抑制して、長期間の高出力を維持することができるようになる。
【０１０７】
なお、寒冷地向けの燃料電池には、凝固点が寒冷地温度よりも低ければ良いので、水に第二成分（エチレングリコールなどのアルコール類）を添加した液体、あるいは第二成分そのもの（無水物）を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】（ａ）はセパレータの燃料ガス流路面側とシール構造の一例を示し、（ｂ）は酸化剤ガス流路面側とシール構造の一例を示す平面図。
【図２】（ａ）はセパレータの燃料ガス流路面側とシール構造の別の例を示し、（ｂ）は酸化剤ガス流路面側とシール構造の別の例を示す平面図。
【図３】（ａ）は冷却水流路を有するセパレータを示し、（ｂ）はその背面を示す平面図。
【図４】本発明の一実施例による発電セルの断面図。
【図５】本発明の発電セルを複数個積層したセルスタックの概略構成図。
【符号の説明】
【０１０９】
１０１…燃料ガスマニホールド、１０２…酸化剤ガスマニホールド、１０３…ガスシール、１０４…燃料ガス流路面、１０５…冷却マニホールド、１０６…冷媒シール、１０７…セパレータ、１０９…酸化剤ガス流路面、２０３…ガスシール、３０１…燃料ガスマニホールド、３０２…酸化剤ガスマニホールド、３０３…冷却水流路、３０４…リブ（凸部）、３０５…冷却マニホールド、３０６…冷媒シール、３０７…冷却セルセパレータ、４０１…セパレータ、４０２…電解質膜、４０３…電極層とガス拡散層の積層体、４０４…ガスシール、４０５…冷却マニホールド、４０６…冷媒シール、４０７…セパレータ、５０１…発電セル、５０２…電解質膜、５０３…触媒層、５０４…セパレータ、５０５…冷媒シール、５０６…ガス拡散層、５０７…絶縁板、５０８…冷却セル、５０９…端板、５１０…燃料ガス配管用コネクター、５１１…冷却水配管用コネクター、５１２…酸化剤ガス配管用コネクター、５１３…集電板、５１４…集電板、５１６…ボルト、５１７…ばね、５１８…ナット、５１９…外部電力線、５２０…ＤＣ−ＤＣコンバータまたはインバータ、５２１…外部に設置した負荷、５２２…燃料ガス配管用コネクター、５２３…酸化剤ガス配管用コネクター、５２４…冷却水配管用コネクター、５５０…ガスシール、５５１…ガスシール。
【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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