(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極で挟持した電極構造体の両側にセパレータが配置され、該電極構造体と両側のセパレータによって燃料電池セルが構成され、
該燃料電池セルが複数個積層され、隣接する燃料電池セルのセパレータの間に、当接するセパレータを弾発付勢する中間板が設けられている燃料電池であって、
前記隣接する燃料電池セルの一方のセパレータに弾性突起を設置し、
前記中間板を、該中間板に設けた孔部にセパレータの前記弾性突起を係合させることにより、固定することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記一方のセパレータに設置される弾性突起と、前記隣接する燃料電池セルのセパレータの間をシールするシール部材と、を一体形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記弾性突起が抜け止め部を備えてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電極構造体がセパレータを介して複数個積層される燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を構成する燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。
【０００３】
各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス（例えば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体（例えば、純水）の流路が設けられている。
【０００４】
そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。
【０００５】
上記のような燃料電池においては、セパレータを、導電性等の電気的特性や耐食性に優れさらに精度的にも優れたカーボン製とすることが一般に行われているが、カーボン製のものは、厚さが大きくなってしまう上、強度、生産性が低いという問題がある。このような点から、プレス加工で成形でき薄板で生産性が高い金属製のセパレータを用いることが検討され、金属製セパレータに関する技術がすでに開示されている（特開２０００−２１４１９号公報参照）。
【０００６】
すなわち、金属製セパレータを用いる燃料電池は、図５の断面図に示すように、固体高分子電解質膜１の両側にアノード電極２とカソード電極３とを有してなる膜電極構造体４のさらに両側に一対の波板状の金属製セパレータ５，６を配置して構成される燃料電池セル７を有している。このような燃料電池セル７を、隣合う金属セパレータ５，６同士における凸部８，９同士を突き合わせ、凹部１０，１１同士を対向させるようにして複数積層し、前記燃料電池が構成されるのである。そして、金属製セパレータ５，６に対向する凹部１０，１１間の空間を冷却媒体用の流路１２とし、金属製セパレータ５の凸部８の裏側の凹部１３とアノード電極２との間の空間を燃料ガス流路１４とし、金属製セパレータ６の凸部９の裏側の凹部１５とカソード電極３との間の空間を酸化剤ガス流路１６としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレス加工により成形される金属製セパレータは、薄肉のため反りやうねり等の形状誤差が発生しやすく、そのまま用いると、金属製セパレータの平面度を確保することが困難である。特に、複数積層された燃料電池セルを積層方向に締結することで燃料電池を形成した場合、燃料電池セルに締め付け荷重がかかると、前記金属製セパレータの形状誤差が累積して燃料電池セルに反りやうねりが発生し、その結果、隣接するアノード電極やカソード電極の電極面にかかる面圧が不均一となるおそれがある。そして、接触抵抗が増えて燃料電池の内部抵抗が大きくなり目的とする性能を得ることが困難になるおそれがある。
【０００８】
したがって、セパレータ間に弾性部材からなる中間板（例えば板バネ）を設けることにより、燃料電池セルで発生した反りやうねり等を吸収させて、燃料電池セルに適正な面圧を付与することが検討されている。
【０００９】
このような中間板を用いる場合に、燃料電池の小型化や軽量化を考慮して、この中間板をセパレータよりも小さく形成すると、セパレータ内における位置決めが難しく、一方、ノックピンなどでセパレータに固定することも考えられるが、中間板の変位の自由度が損なわれ、上述した反りやうねり等の吸収が困難になるという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セパレータ間に設けられる中間板の一定の変位の自由度を確保しつつセパレータに対する中間板の位置決めが容易な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜２１）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極２２，カソード電極２３）で挟持した電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体２４）の両側にセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ２５，２６）が配置され、該電極構造体と両側のセパレータによって燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２７）が構成され、該燃料電池セルが複数個積層され、隣接する燃料電池セルのセパレータの間に、当接するセパレータを弾発付勢する中間板（例えば、実施の形態における中間板３６）が設けられている燃料電池であって、前記隣接する燃料電池セルの一方のセパレータに弾性突起（例えば、実施の形態における弾性突起４０）を設置し、前記中間板を、該中間板に設けた孔部にセパレータの前記弾性突起を係合させることにより、固定することを特徴とする燃料電池である。
【００１２】
このように構成することで、中間板が弾性突起に固定され、弾性突起はその性質上一定範囲で伸縮可能であるため、中間板はセパレータに対して摺動することができる。このため、セパレータや電極構造体、ひいては燃料電池セルの反りやうねりを吸収できる。また、中間板は燃料電池の内部に設けられるので、積層方向の厚みを増すおそれがなく、燃料電池の小型化や軽量化の妨げとはならない。
【００１３】
なお、中間板は冷却流路を区画する場合のみならず、ガス流路を区画する場合にも適用することができる。また、弾性突起はセパレータに接着もしくは焼き付けることで設置することができる。そして、燃料電池としては、固体高分子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、前記一方のセパレータに設置される弾性突起（例えば、実施の形態における弾性突起５１）と、前記隣接する燃料電池セルのセパレータの間をシールするシール部材（例えば、実施の形態における冷却面シール部材５２）と、を一体形成したことを特徴とする燃料電池である。
【００１５】
このように構成することで、弾性突起はシール部材と同一の材料を用いることができ、シール部材とともに一度に配置することができるため成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができるためコストを下げることができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明は、前記弾性突起（例えば、実施の形態における弾性突起６１）が抜け止め部（例えば、実施の形態における抜け止め部６２）を備えていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成することで、中間板が弾性突起から脱落することを防止でき、中間板に対する信頼性を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図１は図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。燃料電池２０は、固体高分子電解質膜２１の厚さ方向における両側にこれを挟み込むようにアノード電極２２とカソード電極２３を対設して構成される膜電極構造体２４を備えている。そして、前記膜電極構造体２４をさらに一対の金属製セパレータ２５，２６で挟み込んでなる燃料電池セル２７を複数積層して構成され、積層された燃料電池セル２７の両端から電力を取り出すようになっている。
【００１８】
金属製セパレータ２５，２６は、例えば板厚０．１〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス加工で打ち抜きかつ折り曲げて成形された一対のもので、金属製セパレータ２５には、それぞれの中央部に凹部２８と凸部２９とが交互に配設された波板部３０が設けられており、金属製セパレータ２６には、それぞれの中央部に凸部３１と凹部３２とが交互に配設された波板部３３が設けられている。なお、金属製セパレータ２５，２６の材質としては、ステンレス鋼またはステンレス鋼の表面に耐食性を有する材料でコーティングを施したものを用いることができる。
【００１９】
金属製セパレータ２５は、その複数の凹部２８をアノード電極２２に当接させ、その複数の凸部２９をアノード電極２２に対向させるようにして配置される。また、金属製セパレータ２６は、その複数の凸部３１をカソード電極２３に当接させ、その複数の凹部３２をカソード電極２３に対向させるようにして配置される。
【００２０】
セパレータ２５，２６間には、中間板３６が介装がされている。中間板３６は平滑な金属板からなり、荷重が加えられた際に弾性変形し、かつ前記荷重が除去されて元に形状に復帰する際に弾発力を付与する。この弾発付勢によりセパレータ２５、２６同士、ひいては燃料電池セル２７同士の電気的な接触が確保される。これについては詳細を後述する。
【００２１】
アノード電極２２とこれに隣接する金属製セパレータ２５の凸部２９との間の空間が燃料ガス流路３４とされて該燃料ガス流路３４に水素ガスが供給される。一方、カソード電極２３とこれに隣接する金属製セパレータ２６の凹部３２との間の空間が酸化剤ガス流路３５とされて該酸化剤ガス流路３５に空気が供給される。また、金属製セパレータ２５の凹部２８と中間板３６との間の空間と、金属製セパレータ２６の凸部３１と中間板３６との間の空間が、冷却媒体流路３７とされて該冷却媒体流路３７に冷却液が供給され、膜電極構造体２４を冷却するようになっている。
【００２２】
なお、セパレータ２５，２６の間には、該セパレータ２５，２６の周縁部をシールする冷却面シール部材３８が設けられている。また、膜電極構造体２４とセパレータ２５，２６の間にはガスシール部材（図示せず）が設けられ、膜電極構造体２４やセパレータ２５，２６には反応ガスや冷却液が供給または排出される連通孔（いずれも図示せず）が設けられているが、これらについては説明を省略する。
【００２３】
前記中間板３６は、セパレータ２５，２６よりも平面寸法を小さく形成され、セパレータ２５，２６間の冷却面シール部材３８よりも内側に設けられている。そして、各セパレータ２５，２６間に形成される冷却媒体流路３７が冷却面シール部材３８によって区画されている。また、前記中間板３６には、その周縁に係合孔３９が形成されており、前記冷却面シール部材３８よりも内側に配置したゴム製の弾性突起４０に前記係合孔３９が係合している。これにより、中間板３６は、弾性突起４０に固定されることでセパレータ２５，２６間に位置決め保持される。また、弾性突起４０の性質上、中間板３６はセパレータ２５，２６の変位に追従して移動できる程度の自由度が確保されるのである。本実施の形態においては、中間板３６を位置決めするために、中間板３６の外周に２カ所の係合孔３９を設けている。また、前記中間板３６は、係合孔３９が形成されている外周部とその内部との間に段差部４１が形成されている。このように前記中間板３６に段差部４１を形成したことにより、係合孔３９を弾性突起４０の基端側（奥側）で係合することができるため、係合孔３９が弾性突起４０から容易に抜け出るおそれがなくなり、より確実に中間板３６を位置決め保持することができる。
【００２４】
このようにしたため、燃料電池２０の運転時に、セパレータ２５、２６や膜電極構造体２４は積層方向に沿って熱膨張を起こした場合であっても、このときに中間板３６が弾性変形して、当接するセパレータ２５，２６を弾発付勢する。このため、これらのセパレータ２５，２６に隣接するアノード電極２２やカソード電極２３の電極面にかかる面圧を均一に保持することができる。そして、接触抵抗の増加による燃料電池２０の内部抵抗の増大を抑制できるため、燃料電池２０から目的とする性能を十分に得ることできる。
【００２５】
また、燃料電池２０の運転が停止して温度が下がり、該燃料電池セル２７が積層方向に沿って収縮した際には、中間板３６が元の形状に復帰する。この際、中間板３６がセパレータ２５，２６を弾発付勢する。すなわち、セパレータ２５，２６は中間板３６によって押圧され、これにより、燃料電池セル２７に対する加圧保持力が維持される。また、燃料電池セル２７にいわゆるへたりが生じた場合にも同様に、中間板３６がセパレータ２５，２６を弾発付勢することによって燃料電池セル２７に対する加圧保持力が維持される。さらに、セパレータ２５，２６に反りやうねり等の形状誤差が発生した場合であっても、前記中間板３６が、セパレータ２５，２６に適正な形状となる方向に弾性力を付与するため、前記セパレータ２５，２６や膜電極構造体２４、ひいては燃料電池セル２７の反りやうねりを吸収することができる。
そして、中間板３６は弾性突起４０に固定されているため、一旦中間板３６が上述したように変形しても再び所定の位置に復帰することができる。
【００２６】
このように、中間板３６がセパレータ２５，２６の所定位置に変位可能な自由度を確保しつつ位置決めされているので、セパレータ２５，２６や膜電極構造体２４、ひいては燃料電池セル２７で発生する変形（上述した熱膨張や熱収縮、へたりや形状誤差等）による寸法変化を、前記中間板３６により吸収することができる。また、燃料電池の内部で中間板３６の位置決めがされるので、燃料電池２０の小型化や軽量化の障害とはならない。
【００２７】
次に、第２の実施の形態における燃料電池５０について図２を用いて説明する。なお、以下の説明において、前記実施の形態と同様の部材については、同一の番号を付してその説明を適宜省略する。
図２の断面図に示した燃料電池５０は、弾性突起５１が冷却面シール部材５２と一体形成されている点で、前記燃料電池２０と異なっている。このようにしたため、弾性突起５１は冷却面シール部材５２と同一の材料を用いることができ、冷却面シール部材５２とともに配置することができるため、成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができる。
【００２８】
次に、第３の実施の形態における燃料電池６０について図３を用いて説明する。図３の断面図に示した燃料電池６０においては、弾性突起６１が抜け止め部６２を備えている点が前記燃料電池５０と異なっている。このようにしたため、中間板３６が積層方向に移動した場合であっても、係合孔３９の部分が抜け止め部６２に当接保持されるため、中間板３６をより確実に保持しておくことができるため、中間板３６の信頼性を高めることができる。
【００２９】
次に、第４の実施の形態における燃料電池７０について図４を用いて説明する。図４の断面図に示した燃料電池７０においては、セパレータ２５，２６に加えてさらにセパレータ７１を設けている。前記セパレータ７１は、その複数の凸部７２を前記セパレータ２５の凹部２８に当接させ、その複数の凹部７３を前記セパレータ２５の凸部２９に対向させるとともにアノード電極２２に当接させるようにして配置されている。このようにしたため、前記中間板３６とセパレータ２５の凹部２８間の空間に形成される燃料ガス流路３４に加えて、セパレータ７１の凸部７２とアノード電極２２との間の空間にも燃料ガス流路７４を形成することができる。このように、中間板３６を設けることにより、積層方向に異なる燃料ガス流路３４，７４を形成することができ、これらの流路間で燃料ガスを折り返して流すことができる。なお、セパレータ７１の凹部７３とセパレータ２５の凸部２９との間の空間には冷却媒体流路７５が形成される。また、本実施の形態においては、燃料ガス流路を折り返した場合について説明したが、酸化剤ガス流路を折り返す場合にも適用することができることはもちろんである。
【００３０】
なお、以上の実施の形態においては、セパレータが金属製である場合について説明したが、これに限らずカーボン製のセパレータであってもよい。また、中間板は、セパレータよりも小さいサイズのものについて説明したが、燃料電池の小型化や軽量化に支障がなければ、セパレータと同等あるいはそれよりも大きなサイズであってもよい。また、中間板は上述したように燃料電池セルの熱膨張や熱収縮、へたりや形状誤差等による変形を防止する場合には板バネなどの弾性部材を用いることが好ましいが、単なるスペーサーとして使用する場合には弾性部材である必要はない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、セパレータや電極構造体、ひいては燃料電池セルの変形を防止できる。また、中間板は燃料電池の内部に設けられるので、積層方向の厚みを増すおそれがなく、燃料電池の小型化や軽量化の妨げとはならない。
【００３２】
請求項２に記載した発明によれば、シール部材と同一の材料を用いることができ、一度に配置することができるため、成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができる。
【００３３】
請求項３に記載した発明によれば、中間板が弾性突起から脱落することを防止でき、中間板に対する信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図２】  図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図３】  図３は本発明の第３の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図４】  図４は本発明の第４の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図５】  図５は従来における燃料電池を示す要部断面図である。
【符号の説明】
２０  燃料電池
２１  固体高分子電解質膜
２２  アノード電極
２３  カソード電極
２４  膜電極構造体
２５，２６  セパレータ
３６  中間板
３７  冷却媒体流路
３９  係合孔
４０、５１、６１  弾性突起
６２  抜け止め部
【図１】
0003842109.tif 000002
【図２】
0003842109.tif 000003
【図３】
0003842109.tif 000004
【図４】
0003842109.tif 000005
【図５】
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