(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス、カソードガスおよび冷却水用の各内部マニホールドを有し、かつアノードガスとカソードガスを分離する機能を有する複数の金属製セパレータと、該セパレータ間に挟持された複数の膜／電解質接合体とを備え、
前記セパレータは、プレス加工により両面に流路が成形されたプレスプレートを有し、該プレスプレートの両側の面は互いに独立の流路を形成して両面に異なる流体が流れるようになっており、
前記セパレータの少なくとも一部は内部に冷却水流路を有する冷却セパレータであり、その他は冷却水流路を有さない無冷却セパレータであり、
無冷却セパレータは、１枚のプレスプレートと、該プレスプレートの両面にそれぞれ接合され中央部に開口部を有する平板状の１対のマスクプレートとからなり、プレスプレートはマスクプレートと接合されることによりカソードマニホールド構造及びアノードマニホールド構造がそれぞれ形成されるような穴及び凹凸形状を有しており、
冷却セパレータは、１枚の平板と、該平板の両面にそれぞれ接合された１対のプレスプレートと、更にその両面に接合され中央部に開口部を有する平板状の１対のマスクプレートとからなり、プレスプレートは平板及びマスクプレートと接合されることによりカソードマニホールド構造、アノードマニホールド構造及び冷却水用マニホールド構造がそれぞれ形成されるような穴及び凹凸形状を有しており、平板とプレスプレートの間に冷却水が流れ、一方のマスクプレートとプレスプレートとの間にアノードガスが流れ、他方のマスクプレートとプレスプレートとの間にカソードガスが流れるようになっている、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記プレスプレートは、１ショットプレス加工により成形する、ことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記膜／電解質接合体は、セパレータの全面を覆う１枚のイオン交換膜と、その両面にそれぞれ位置しマスクプレートの開口部に整合する１対の多孔質電極と、更にその両面にそれぞれ位置し開口部のプレスプレートと接する１対の支持集電体とからなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、図７の原理図に示すように、電解質にプロトン（Ｈ+ ）導電性を有する高分子膜１を用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極２（アノードとカソード）を付けた構造を有する。それぞれの電極にＨ2 およびＯ2 を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ2 はＨ2 極（アノード）でＨ+ に酸化され、Ｈ+ は膜内を移動してＯ2 極（カソード）に到達する。一方ｅ- は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、Ｏ2 極に到達する。Ｏ2 極ではＯ2 が到達したＨ+ およびｅ- と反応してＨ2 Ｏに還元される。
【０００３】
ＰＥＦＣの構造例を図８に示す。ＰＥＦＣは、セパレータ５の間に膜／電解質接合体４を挟んで１つのセルが構成される。膜／電解質接合体４は、イオン交換膜１の両面に、Ｐｔ黒又はＰｔ担持カーボンからなる多孔質電極２と、カーボンペーパあるいはカーボン布からなる支持集電体３を配置したものである。また、セパレータ５は、両面にガスを流す溝を有し、かつ内部に冷却水を流す溝を有する導電性の板である。なお図８の例では内部の冷却溝は２枚のセパレータを接合して構成されている。
【０００４】
セパレータ５と膜／電解質接合体４を交互に複数積層することによりスタック（積層電池）が構成される。ガスや冷却水のシールは、ゴムシートやテフロンシートを間に挟んで行うことが多いが、イオン交換膜の弾性を利用して、膜自身でシールする場合もある。また、スタックの両端には金属の集電板（図示せず）を配置して外部電流取出し端子とし、さらに絶縁板を介して締付板を配置し、全体をボルト等で締め付けて一体化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＰＥＦＣ用セパレータには、主にカーボン板の両面にＮＣ加工で溝加工したものが従来用いられている。カーボン板には、焼結カーボン板にフェノール樹脂を含浸したもの、樹脂モールドカーボン板等が用いられる。しかし、ＰＥＦＣの製造コストの中で最も大きな比率を占めるのが、セパレータの加工費であり、そのコストダウンが大きな課題となっていた。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ＰＥＦＣ用セパレータを安価に製作でき、これにより大幅なコストダウンとコンパクト化が可能となる固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、アノードガス、カソードガスおよび冷却水用の各内部マニホールドを有し、かつアノードガスとカソードガスを分離する機能を有する複数の金属製セパレータと、該セパレータ間に挟持された複数の膜／電解質接合体とを備え、前記セパレータは、プレス加工により両面に流路が成形されたプレスプレートを有し、該プレスプレートの両側の面は互いに独立の流路を形成して両面に異なる流体が流れるようになっており、前記セパレータの少なくとも一部は内部に冷却水流路を有する冷却セパレータであり、その他は冷却水流路を有さない無冷却セパレータであり、無冷却セパレータは、１枚のプレスプレートと、該プレスプレートの両面にそれぞれ接合され中央部に開口部を有する平板状の１対のマスクプレートとからなり、プレスプレートはマスクプレートと接合されることによりカソードマニホールド構造及びアノードマニホールド構造がそれぞれ形成されるような穴及び凹凸形状を有しており、冷却セパレータは、１枚の平板と、該平板の両面にそれぞれ接合された１対のプレスプレートと、更にその両面に接合され中央部に開口部を有する平板状の１対のマスクプレートとからなり、プレスプレートは平板及びマスクプレートと接合されることによりカソードマニホールド構造、アノードマニホールド構造及び冷却水用マニホールド構造がそれぞれ形成されるような穴及び凹凸形状を有しており、平板とプレスプレートの間に冷却水が流れ、一方のマスクプレートとプレスプレートとの間にアノードガスが流れ、他方のマスクプレートとプレスプレートとの間にカソードガスが流れるようになっている、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池が提供される。
【０００８】
本発明の固体高分子型燃料電池は、プレス加工により成形されたプレスプレートを主要な構成部品とする金属製セパレータを用いるので、従来のＮＣ加工やモールド加工と比較してＰＥＦＣ用セパレータを安価に製作でき、これにより固体高分子型燃料電池のコストダウンとコンパクト化が可能となる。
【００１０】
また、プレス加工用の金型の数を最小限（好ましくは１つ）にすることができ、金型のコストを大幅に低減することができる。
【００１１】
また、前記プレスプレートは、１ショットプレス加工により成形することが好ましい。これにより、プレスプレートのコストダウンと高精度化を同時に達成することができる。
【００１２】
前記膜／電解質接合体は、前記膜／電解質接合体は、セパレータの全面を覆う１枚のイオン交換膜と、その両面にそれぞれ位置しマスクプレートの開口部に整合する１対の多孔質電極と、更にその両面にそれぞれ位置し開口部のプレスプレートと接する１対の支持集電体とからなる。
この構成により、イオン交換膜自体をセパレータ間のシール材として機能させることができ、かつ支持集電体により多孔質電極を保持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による固体高分子型燃料電池の側面図である。この図において、本発明の固体高分子型燃料電池１０は、中央に位置するセンターホルダ１２と、その両側に位置する１対のスタック１４と、更にその両側に位置する１対のエンドホルダ１６と、１対のエンドホルダ１６を連結する連結ロッド１８とからなる。センターホルダ１２、スタック１４及びエンドホルダ１６の間にはそれぞれガスケット１１が挟持され、それらの間をシールしている。また、連結ロッド１８の少なくとも一方には、ネジ部が設けられ、このネジ部と螺合するナット１９により全体を所定の圧力で締付けて一体化する。この構成により、アノードガス、カソードガスおよび冷却水は、センターホルダ１２から供給し、かつセンターホルダ１２から排出するようになっている。
【００１４】
図２は、図１の固体高分子型燃料電池の分解図である。この図に示すように、スタック１４は、複数の金属製セパレータ２１、２２と、このセパレータ間に挟持された複数の膜／電解質接合体４とからなる。
金属製セパレータ２１、２２は、アノードガス６とカソードガス７を分離する機能を有する。また、セパレータ２１、２２は、アノードガス６、カソードガス７および冷却水８用の各内部マニホールド２０ａを有し、センターホルダ１２（図１）から供給されたアノードガス６、カソードガス７および冷却水８を各セルに供給するようになっている。更に、各セパレータ２１、２２は、中央部に開口部２０ｂ（凹部）を有し、膜／電解質接合体４の一部がこの凹部２０ｂに嵌まるようになっている。
【００１５】
図１において、セパレータ２１、２２の少なくとも一部は内部に冷却水流路を有する冷却セパレータ２２であり、その他は冷却水流路を有さない無冷却セパレータ２１である。
【００１６】
膜／電解質接合体４は、セパレータ２１、２２の全面を覆う１枚のイオン交換膜１と、その両面にそれぞれ位置しセパレータの開口部２０ｂに整合する１対の多孔質電極２と、更にその両面にそれぞれ位置する１対の支持集電体３とからなる。
【００１７】
図３は、図２のセパレータの正面図であり、図４はセパレータを構成するプレスプレートの正面図である。すなわち、セパレータ２１、２２は、プレス加工により両面に流路が成形されたプレスプレート２３を有し、このプレスプレート２３の両面に異なる流体が流れるようになっている。このプレスプレート２３は、１ショットプレス加工により成形することが好ましく、これにより、プレスプレートのコストダウンと高精度化を同時に達成することができる。
【００１８】
図５は、無冷却セパレータ２１の各部の断面図である。この図において、（Ａ）〜（Ｇ）は、図３のＡ〜Ｇの各断面図である。この図に示すように、無冷却セパレータ２１は、１枚のプレスプレート２３と、プレスプレート２３の両面にそれぞれ接合され中央部に開口部２０ｂを有する１対のマスクプレート２４とからなる。
【００１９】
図５（Ａ）は、開口部２０ｂを示しており、プレスプレート２３の両面に設けられた凹凸により両面に流路が形成され、その表面に１対の多孔質電極２と、１対の支持集電体３が位置し、反応部を形成している。プレスプレート２３の下側がアノード側Ａ、上側がカソード側Ｃであり、それぞれアノードガス６とカソードガス７が流れるようになっている。
【００２０】
図５（Ｂ）（Ｃ）は、セパレータ外周部である。矢印で示す外周部をレーザー等により接合することにより、アノードガス６とカソードガス７の外部への洩れを防止することができる。
図５（Ｄ）はカソードマニホールド、（Ｆ）はアノードマニホールトである。これらの図のように構成し、それぞれ矢印で示す個所を接合することにより、カソードガス７、アノードガス６をそれぞれのセルのカソード側、アノード側に供給することができる。
【００２１】
図５（Ｅ）はマスク部である。図４に示すようにマスク部には多数のエンボスが設けられており、このエンボスによりアノード側Ａとカソード側Ｃにそれぞれ流路を形成し、両面に異なる流体が流れるようになっている。
図５（Ｇ）は、冷却水用のマニホールドである。無冷却セパレータ２１では、それぞれ矢印で示す個所を接合することにより、冷却水８はアノード側、カソード側のいずれにも流れずにそのまま通過するようになっている。
【００２２】
図６は、冷却セパレータの各部の断面図である。この図において、（Ａ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｇ）は、それぞれ冷却セパレータの場合の図３のＡ、Ｄ、Ｆ、Ｇの各断面図である。これらの図に示すように、冷却セパレータ２２は、１枚の平板２５と、平板２５の両面にそれぞれ接合された１対のプレスプレート２３と、更にその両面に接合され中央部に開口部を有する１対のマスクプレート２４とからなる。この構成により、平板２５とプレスプレート２３の間に冷却水８が流れるようになっている。その他の構成は、中央に平板２５がある点を除き、図５の無冷却セパレータと同様である。
【００２３】
上述した本発明の固体高分子型燃料電池は、プレス加工により成形されたプレスプレート２３を主要な構成部品とする金属製セパレータ２１、２２を用いるので、従来のＮＣ加工やモールド加工と比較してＰＥＦＣ用セパレータを安価に製作でき、これにより固体高分子型燃料電池のコストダウンとコンパクト化が可能となる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の固体高分子型燃料電池は、ＰＥＦＣ用セパレータを安価に製作でき、これにより大幅なコストダウンとコンパクト化が可能となる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池の側面図である。
【図２】図１の固体高分子型燃料電池の分解図である。
【図３】図２のセパレータの正面図である。
【図４】プレスプレートの正面図である。
【図５】無冷却セパレータの各部の断面図である。
【図６】冷却セパレータの各部の断面図である。
【図７】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図８】固体高分子型燃料電池の構造図である。
【符号の説明】
１  イオン交換膜（高分子膜）
２  電極
３  支持集電体
４  膜／電解質接合体
５  セパレータ
６  アノードガス
７  カソードガス
８  冷却水
１０  固体高分子型燃料電池
１１  ガスケット
１２  センターホルダ
１４  スタック
１６  エンドホルダ
１８  連結ロッド
１９  ナット
２０ａ  内部マニホールド
２０ｂ  開口部（凹部）
２１  無冷却セパレータ
２２  冷却セパレータ
２３  プレスプレート
２４  マスクプレート
２５  平板
【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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【図７】
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【図８】
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