燃料電池、端部シール部材および端部シール部材の製造方法
【課題】クリープによるシール圧の低下を抑え、経時的なガス漏洩の発生を抑止する。
【解決手段】多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのガス流路に平行な外縁部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置される。この端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、膨張黒鉛シート等の端部シール材をそれぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成される。
【解決手段】多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのガス流路に平行な外縁部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置される。この端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、膨張黒鉛シート等の端部シール材をそれぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法に関し、特に電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できることから発電効率が高く環境にもやさしいとして、多様な用途への普及が期待されている。
図５は、燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した概略構成図である。燃料電池２００は、セパレータ２１０ａ，２１０ｂの間に、ガス流路を有するリブ付きの多孔質基材２２０ａ，２２０ｂと、対極を構成する電極部２３０ａ，２３０ｂが挟持されている。電極部２３０ａ，２３０ｂの間には、図示しない電解質層が形成されている。同様に、セパレータ２１０ｂ，２１０ｃの間に、多孔質基材２２０ｃ，２２０ｄと、対極を構成する電極部２３０ｃ，２３０ｄが挟持されている。多孔質基材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄのガス流路に平行な外延部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄが配置されている。ここで、端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄという場合、それぞれ多孔質基材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄを挟んで配置される１対の端部シール部材を示す。
【０００３】
端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの部材には、ガス不透過性とともに電解質に対する耐食性が求められている。また、ガス流路の高さを確保する必要もあることから、２ｍｍ程度の厚さが要求される。更に、電解質を多く含んでしまうと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの端面において上下セル間で電解質が液絡し、上下セル間での電解質の移動などの問題が発生する可能性があるため、端面で電解質が液絡しないことが求められた。これらの条件を満足する端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの部材として、従来は黒鉛化された緻密な炭素材や、セパレータの部材を端部シール部材の幅に切断してフッ素樹脂フィルムを介して積層したものが使用されている。
【０００４】
また、ガス通路を形成する多孔質基材２２０ａ，２２０ｂや電極部２３０ａ，２３０ｂと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂとは、それぞれの材料の製作時の寸法誤差により段差が生じる。例えば、多孔質基材２２０ａおよび電極部２３０ａの高さの合計が、端部シール部材２４０ａの高さよりも大きい場合は、端部シール部材２４０ａに掛かる圧力が弱くなり、シール性が悪くなりガス漏洩の原因となる。また、端部シール部材２４０ａの高さが、多孔質基材２２０ａおよび電極部２３０ａの高さの合計よりも大きい場合は、電極部２３０ａ，２３０ｂの接触抵抗が大きくなる。
【０００５】
この問題に対して、端部シール部材２４０ａ，２４０ｂの上面や下面にクッション部材を挿入して多孔質基材２２０ａ，２２０ｂや電極部２３０ａ，２３０ｂと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂとの寸法誤差を吸収する方法が知られている。
【０００６】
また、上記の問題に対して、端部シール部材に膨張黒鉛シートを用い、その圧縮歪率を最適化して上記の寸法誤差を吸収し、所望のシール性能を得る方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−０２３６５４号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のクッション部材を用いる方法および特許文献１に記載の方法では、長時間使用しているとクッション部材や端部シール部材の経時的な形状変化（クリープ）により、クッション部材や端部シール部材に掛かる圧力（シール圧）が低下する可能性がある。そして、シール圧が低下すると、ガス漏洩の原因となってしまうという課題がある。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、経時的なガス漏洩の発生を抑止する燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法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】
【０００９】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池が提供される。この燃料電池は、第１の端部シール部材および第２の端部シール部材を有する。第１の端部シール部材は、第１の多孔質基材に形成される燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の第１の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材を配置する時、第１の端部シール材の第１の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される。第２の端部シール部材は、第２の多孔質基材に形成される酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の第２の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材を配置する時、第２の端部シール材の第２の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される。
【００１０】
このような燃料電池によれば、第１の端部シール部材が、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材の配置時に第１の多孔質基材側となる面を除く表面にはっ水処理を施して形成される。そして、第１の端部シール部材が第１の多孔質基材に形成されるガス流路と平行な相対する二辺の第１の多孔質基材の端部に配置される。また、第２の端部シール部材が、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材の配置時に第２の多孔質基材側となる面を除く表面にはっ水処理を施して形成される。そして、第２の端部シール部材が第２の多孔質基材に形成されるガス流路と平行な相対する二辺の第２の多孔質基材の端部に配置される。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、上記の燃料電池に配置される端部シール部材であって、膨潤性を有する所定の端部シール材が、配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成される端部シール部材が提供される。
【００１２】
更に、上記課題を解決するために、上記の端部シール部材の製造方法であって、膨潤性を有する所定の端部シール材の配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施す手順、を有する端部シール部材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記の燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法によれば、膨潤性を有する端部シール材の、燃料電池への配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理が施される。このようにすると、端部シール材が、電解質層、または燃料極触媒層、または多孔質基材に保持される電解質を含んで膨潤する。これにより、クリープによるシール圧の低下を抑え、経時的なガス漏洩の発生を抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の燃料電池の端部シール部材単体を示した図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は長手方向に対する片側端の側面図である。端部シール部材１４０は、端部シール材１４１がフッ素樹脂膜１４２によって被覆することによる、はっ水処理が施されている。端部シール部材１４０は、直方体の形状である。また、端部シール部材１４０は、燃料電池内に配置される向きに対して内側面１４３、外側面１４４、上面１４５および下面１４６を有する。
【００１５】
端部シール材１４１は、図１では点線によって表されており、膨張黒鉛シートを含む膨潤性を有する所定の端部シール材で形成される。なお、図１では、説明のため端部シール材１４１とフッ素樹脂膜１４２との間に隙間があるが、実際には密着される。また、端部シール材１４１として、膨張黒鉛シートの他に、例えば、多孔質カーボン板、焼成カーボン板等を用いることもできる。
【００１６】
フッ素樹脂膜１４２は、フッ素樹脂が長手方向の１つの面（内側面１４３）を除いて端部シール材１４１を被覆する。フッ素樹脂には、例えば、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ：Fluorinated Ethylene Propylene copolymer、融点２５０〜２８０℃）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ：Poly Tetra Fluoro Ethylene、融点３２７℃）、フッ化アルキコキシエチレン樹脂（ＰＦＡ：Poly tetra Fluoro ethylene-perfluoro Alkyl vinyl ether copolymer、融点３００〜３１０℃）およびフッ化エチレンプロピレン樹脂（ＴＦＰ：Tetra Fluoro Propanol、融点２９０〜３００℃）等を用いることができる。
【００１７】
内側面１４３は、端部シール部材１４０のフッ素樹脂膜１４２によって被覆されない面である。内側面１４３は、端部シール材１４１の表面が露出している。端部シール部材１４０は、燃料電池内に内側面１４３が多孔質基材側（内側）を向くよう配置される（図２で詳しく説明する）。
【００１８】
外側面１４４は、内側面１４３と平行かつ対向する面である。外側面１４４は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
上面１４５は、内側面１４３および外側面１４４と垂直な面である。上面１４５は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
【００１９】
下面１４６は、上面１４５と平行かつ対向する面である。下面１４６は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
なお、端部シール材１４１の長手方向の両端面もフッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
【００２０】
このように、端部シール部材１４０の内側面１４３をフッ素樹脂膜１４２によって被覆せず、端部シール材１４１が電解質等の液体を含むようにする。
これにより、端部シール材１４１が適宜膨潤して、クリープによるシール圧の低下を防止することができ、経時的なガスリークの発生を抑止することができる。
【００２１】
また、外側面１４４、上面１４５、下面１４６および長手方向の両端面をフッ素樹脂膜１４２によって被覆することで、はっ水効果を得ることができる。これにより、端部シール材１４１が電解質を含んでも、外側面１４４、上面１４５、下面１４６および長手方向の両端面等から電解質が漏れることを防止することができる。電解質の漏れの防止は、燃料電池のセル間での液絡防止の効果もある。
【００２２】
なお、端部シール材１４１は、電解質を含むことができれば、内側面１４３の全面が露出されている必要は無く、例えば、内側面１４３の一部がフッ素樹脂膜１４２で被覆されていてもよい。
【００２３】
以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本実施の形態の燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した図である。燃料電池１００は、セパレータ１１０ａおよびセパレータ１１０ｂの間に形成される単位セルと、セパレータ１１０ｂおよびセパレータ１１０ｃの間に形成される単位セルとが２層に積層された状態を示している。
【００２４】
セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、ガス不透過性および電解質に対する耐食性を満たしている。セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、例えば、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成される。
【００２５】
セパレータ１１０ａ，１１０ｂに挟持される単位セルは、図示しない電解質層を挟んで配置された触媒層を有する電極部１３０ａ（燃料電極）と電極部１３０ｂ（空気電極）を有する。更に、上記単位セルは、電解質層、電極部１３０ａおよび電極部１３０ｂを挟んで配置された、酸化剤ガスまたは空気の流路（以下、空気流路とする）を形成するリブ付きの多孔質基材１２０ａ，１２０ｂを有する。多孔質基材１２０ａおよび電極部１３０ａを含む層を燃料極触媒層と称する。また、多孔質基材１２０ｂおよび電極部１３０ｂを含む層を空気極触媒層と称する。多孔質基材１２０ａ，１２０ｂの材料としては、例えば、多孔質カーボンを用いることができる。燃料電池１００の例では、燃料ガス流路と空気流路とは、互いに直交するように重ね合わされている。
【００２６】
また、セパレータ１１０ｂ，１１０ｃに挟持される単位セルについても同様に、電解質層を挟んだ両面に多孔質基材１２０ｃおよび電極部１３０ｃと、多孔質基材１２０ｄおよび電極部１３０ｄが配置されている。
【００２７】
なお、電解質層には、例えば、電解質としてリン酸が保持される。更に、電解質層で電界質として使用するリン酸が不足しないよう、多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄおよび電極部１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄにもリン酸水溶液を含浸し、保持する。これにより、電解質層に電界質であるリン酸を供給し続けることができる。
【００２８】
多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのガス流路に平行な外縁部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置される。
【００２９】
端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、図１に示した端部シール部材１４０と同様に形成されている。すなわち、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、膨張黒鉛シート等の端部シール材の多孔質基材側の面を除く表面が、フッ素樹脂により被覆されて形成される。ここで、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄという場合、それぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄを挟んで配置される１対の端部シール部材を示す。
【００３０】
また、端部シール部材１４０ａの下面には、多孔質基材１２０ａおよび電極部１３０ａと端部シール部材１４０ａの製作誤差を吸収するクッション部材１５０ａが挿入される。ここで、クッション部材１５０ａ，１５０ｂという場合、それぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｃを挟んで配置される１対のクッション部材を示す。
【００３１】
クッション部材１５０ａは、多孔質基材１２０ｂおよび電極部１３０ｂと端部シール部材１４０ｂの製作誤差も吸収する。また、クッション部材１５０ｂも同様に、多孔質基材１２０ｃおよび電極部１３０ｃと端部シール部材１４０ｃの製作誤差や多孔質基材１２０ｄおよび電極部１３０ｄと端部シール部材１４０ｄの製作誤差を吸収する。クッション部材１５０ａ，１５０ｂとしては、端部シール材１４１と同様の材料を用いることができる。クッション部材１５０ａ，１５０ｂの材料として、例えば、発泡ＰＴＦＥが用いられる。
【００３２】
このような構成の燃料電池１００では、セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃによって、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂが、ガス漏洩が発生しない適切なシール圧で保持される。しかし、燃料電池１００を長時間使用していると端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂのクリープによって、シール圧が低下し、ガス漏洩の原因となる。
【００３３】
図３は、燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は使用開始時、（Ｂ）は長時間使用後の状態を示している。図３は、図２における記号Ｘで示した箇所を燃料電池１００の奥行き方向から見た拡大図である。図２で示した構成に加えて、電解質層１６０ａを更に図示している。燃料電池１００は、使用開始時では、（Ａ）に示すように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａが、セパレータ１１０ａ，１１０ｂによりガス漏洩が発生しない適切なシール圧で保持されている。しかし、（Ｂ）に示すように長時間の使用後には、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａのクリープによる形状変化（シール圧方向の厚さ減少）が生じ、シール圧が低下する。
【００３４】
なお、図３は、クリープによる厚さ減少分が分かり易いよう模式的に示している。
これに対し、燃料電池１００では、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄのそれぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ側（内側）の面は、フッ素樹脂膜によって被覆しないこととしている。すなわち、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄに用いられる端部シール材は、多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ等に保持された電解質を含んで膨潤可能としている。
【００３５】
図４は、燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は端部シール部材への電解質の含浸、（Ｂ）は膨潤後の端部シール部材を示している。燃料電池１００は、（Ａ）に示すように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａのシール圧方向の厚さ減少の分だけ電解質を含んで膨潤する。そして、（Ｂ）に示すように厚さ減少によるシール圧の低下を補てんして、ガス漏洩が発生しない適切なシール圧を保持する。
【００３６】
このように、燃料電池１００の端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂのクリープによる厚さ減少の分だけ膨潤してシール圧の低下を防止する。これにより、燃料電池１００の経時的なガス漏洩の発生を抑止することができる。
【００３７】
また、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄの多孔質基材側の面以外の面はフッ素樹脂膜によって被覆されており、はっ水効果を有している。このため、端部シール材１４１が電解質を含んでも、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄの多孔質基材側の面以外の外側面に電解質が漏れることを防止することができる。電解質の漏れの防止は、燃料電池１００のセル間での液絡防止の効果もある。このようにして、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、燃料電池１００での使用に際して所望されるガス不透過性および電解質不漏洩性を備える。
【００３８】
次に、このような端部シール部材１４０の製造方法の具体例について説明する。
（製造方法例１）
まず、昭和電工（株）製ガラス状カーボン板（ＳＧ−３、厚さ０．６ｍｍ）を１３０×１３０ｍｍに切断してセパレータとする。そして、東洋炭素（株）製膨張黒鉛シート（ＰＦ２５０、厚さ２．５ｍｍ、かさ密度０．６５ｇ／ｃｍ3）を１８×１３０ｍｍに切断し、端部シール材とする。更に、セパレータと端部シール材との間に端部シール材と同寸法に切断した厚さ５０μｍのデュポン社製ＦＥＰ（融点２５０〜２８０℃）シートを挿入し、温度約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シール材とを一体化する。そして、端部シール材の多孔質基材側となる面を除く外側面の表面にＦＥＰシートを温度約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着して、端部シール部材を形成する。
【００３９】
（製造方法例２）
まず、製造方法例１と同様に、東洋炭素（株）製膨張黒鉛シート（ＰＦ２５０、厚さ２．５ｍｍ、かさ密度０．６５ｇ／ｃｍ3）を１８×１３０ｍｍに切断し、端部シール材とする。そして、端部シール材を予め三井フロロケミカル製ＦＥＰディスパージョンである「テフロン（登録商標）１２０Ｊ」中にディップし、２９０℃の電気炉中で１時間焼成して、はっ水処理を施す。その際、端部シール材の多孔質基材側となる面には、はっ水処理を施さないようにする。このために、例えば、端部シール材の多孔質基材側となる面がテフロン液に接触しないよう、端部シール材がテフロン液に浸かる液面高さを調整する治具を用意する。そして、この治具に端部シール材を設置してテフロン液にディップすることで、容易に多孔質基材側となる面に、はっ水処理が施されないよう端部シール部材を形成することができる。
【００４０】
その後、セパレータ上に端部シール部材を配置し、約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シール部材とを一体化する。
【００４１】
なお、製造方法例１，２で使用するフッ素樹脂には、ＦＥＰの他にも、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡおよびＴＦＰ等を用いることができる。これらは、例えば、厚さ５０μｍのシート状やディスパージョンの状態で使用する。
【００４２】
上記の方法を用いて製作した端部シール部材を利用して製作された燃料電池は、端部シール部材を透過してのガス漏れ量が３００ｍｍＡｑの差圧化で０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下であった。また、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ2で２０００時間運転後も漏れの増加は無く、端部シール部材やクッション部材のクリープによるガス漏れ量の増加は見られなかった。更に、運転後の分解調査の結果、端部シール部材の腐食や端部シール部材表面における電解質の液絡も発生しなかった。すなわち、好的な端部シール部材を備えた燃料電池が得られることが確認された。
【００４３】
なお、本実施の形態では、燃料電池にクッション部材を使用する構成を例示して説明した。しかし、クッション部材は、端部シール部材による適切なシール効果を得るために必要に応じて挿入されるものである。このため、端部シール部材のみよって適切なシール効果を得られる場合には、クッション部材を使用する必要は無い。クッション部材を使用しない場合でも、本実施の形態の端部シール部材を適用可能である。
【００４４】
また、本実施の形態では、端部シール部材を直方体の形状として例示したが、燃料電池の設計に応じて他の柱体に形成されてもよい。
更に、従来では、所望のシール性能を有する端部シール部材を得るために、例えば、端部シール材として使用する膨張黒鉛シートのかさ密度等の性質も最適となるよう管理する必要があった。これに対して、本発明の端部シール部材では、このような管理が不要となるため、かさ密度等の性質毎に多種の端部シール材を用意する必要が無くなる。このため、部品の管理工数や在庫数を抑えることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態の燃料電池の端部シール部材単体を示した図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は長手方向に対する片側端の側面図である。
【図２】本実施の形態の燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した図である。
【図３】燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は使用開始時、（Ｂ）は長時間使用後の状態を示している。
【図４】燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は端部シール部材への電解質の含浸、（Ｂ）は膨潤後の端部シール部材を示している。
【図５】燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 燃料電池
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ セパレータ
１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ 多孔質基材
１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ 電極部
１４０，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ 端部シール部材
１４１ 端部シール材
１４２ フッ素樹脂膜
１４３ 内側面
１４４ 外側面
１４５ 上面
１４６ 下面
１５０ａ，１５０ｂ クッション部材
１６０ａ 電解質層
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法に関し、特に電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できることから発電効率が高く環境にもやさしいとして、多様な用途への普及が期待されている。
図５は、燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した概略構成図である。燃料電池２００は、セパレータ２１０ａ，２１０ｂの間に、ガス流路を有するリブ付きの多孔質基材２２０ａ，２２０ｂと、対極を構成する電極部２３０ａ，２３０ｂが挟持されている。電極部２３０ａ，２３０ｂの間には、図示しない電解質層が形成されている。同様に、セパレータ２１０ｂ，２１０ｃの間に、多孔質基材２２０ｃ，２２０ｄと、対極を構成する電極部２３０ｃ，２３０ｄが挟持されている。多孔質基材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄのガス流路に平行な外延部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄが配置されている。ここで、端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄという場合、それぞれ多孔質基材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄを挟んで配置される１対の端部シール部材を示す。
【０００３】
端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの部材には、ガス不透過性とともに電解質に対する耐食性が求められている。また、ガス流路の高さを確保する必要もあることから、２ｍｍ程度の厚さが要求される。更に、電解質を多く含んでしまうと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの端面において上下セル間で電解質が液絡し、上下セル間での電解質の移動などの問題が発生する可能性があるため、端面で電解質が液絡しないことが求められた。これらの条件を満足する端部シール部材２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄの部材として、従来は黒鉛化された緻密な炭素材や、セパレータの部材を端部シール部材の幅に切断してフッ素樹脂フィルムを介して積層したものが使用されている。
【０００４】
また、ガス通路を形成する多孔質基材２２０ａ，２２０ｂや電極部２３０ａ，２３０ｂと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂとは、それぞれの材料の製作時の寸法誤差により段差が生じる。例えば、多孔質基材２２０ａおよび電極部２３０ａの高さの合計が、端部シール部材２４０ａの高さよりも大きい場合は、端部シール部材２４０ａに掛かる圧力が弱くなり、シール性が悪くなりガス漏洩の原因となる。また、端部シール部材２４０ａの高さが、多孔質基材２２０ａおよび電極部２３０ａの高さの合計よりも大きい場合は、電極部２３０ａ，２３０ｂの接触抵抗が大きくなる。
【０００５】
この問題に対して、端部シール部材２４０ａ，２４０ｂの上面や下面にクッション部材を挿入して多孔質基材２２０ａ，２２０ｂや電極部２３０ａ，２３０ｂと端部シール部材２４０ａ，２４０ｂとの寸法誤差を吸収する方法が知られている。
【０００６】
また、上記の問題に対して、端部シール部材に膨張黒鉛シートを用い、その圧縮歪率を最適化して上記の寸法誤差を吸収し、所望のシール性能を得る方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−０２３６５４号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のクッション部材を用いる方法および特許文献１に記載の方法では、長時間使用しているとクッション部材や端部シール部材の経時的な形状変化（クリープ）により、クッション部材や端部シール部材に掛かる圧力（シール圧）が低下する可能性がある。そして、シール圧が低下すると、ガス漏洩の原因となってしまうという課題がある。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、経時的なガス漏洩の発生を抑止する燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法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】
【０００９】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池が提供される。この燃料電池は、第１の端部シール部材および第２の端部シール部材を有する。第１の端部シール部材は、第１の多孔質基材に形成される燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の第１の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材を配置する時、第１の端部シール材の第１の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される。第２の端部シール部材は、第２の多孔質基材に形成される酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の第２の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材を配置する時、第２の端部シール材の第２の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される。
【００１０】
このような燃料電池によれば、第１の端部シール部材が、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材の配置時に第１の多孔質基材側となる面を除く表面にはっ水処理を施して形成される。そして、第１の端部シール部材が第１の多孔質基材に形成されるガス流路と平行な相対する二辺の第１の多孔質基材の端部に配置される。また、第２の端部シール部材が、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材の配置時に第２の多孔質基材側となる面を除く表面にはっ水処理を施して形成される。そして、第２の端部シール部材が第２の多孔質基材に形成されるガス流路と平行な相対する二辺の第２の多孔質基材の端部に配置される。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、上記の燃料電池に配置される端部シール部材であって、膨潤性を有する所定の端部シール材が、配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成される端部シール部材が提供される。
【００１２】
更に、上記課題を解決するために、上記の端部シール部材の製造方法であって、膨潤性を有する所定の端部シール材の配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施す手順、を有する端部シール部材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記の燃料電池、その端部シール部材および端部シール部材の製造方法によれば、膨潤性を有する端部シール材の、燃料電池への配置時に多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理が施される。このようにすると、端部シール材が、電解質層、または燃料極触媒層、または多孔質基材に保持される電解質を含んで膨潤する。これにより、クリープによるシール圧の低下を抑え、経時的なガス漏洩の発生を抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の燃料電池の端部シール部材単体を示した図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は長手方向に対する片側端の側面図である。端部シール部材１４０は、端部シール材１４１がフッ素樹脂膜１４２によって被覆することによる、はっ水処理が施されている。端部シール部材１４０は、直方体の形状である。また、端部シール部材１４０は、燃料電池内に配置される向きに対して内側面１４３、外側面１４４、上面１４５および下面１４６を有する。
【００１５】
端部シール材１４１は、図１では点線によって表されており、膨張黒鉛シートを含む膨潤性を有する所定の端部シール材で形成される。なお、図１では、説明のため端部シール材１４１とフッ素樹脂膜１４２との間に隙間があるが、実際には密着される。また、端部シール材１４１として、膨張黒鉛シートの他に、例えば、多孔質カーボン板、焼成カーボン板等を用いることもできる。
【００１６】
フッ素樹脂膜１４２は、フッ素樹脂が長手方向の１つの面（内側面１４３）を除いて端部シール材１４１を被覆する。フッ素樹脂には、例えば、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ：Fluorinated Ethylene Propylene copolymer、融点２５０〜２８０℃）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ：Poly Tetra Fluoro Ethylene、融点３２７℃）、フッ化アルキコキシエチレン樹脂（ＰＦＡ：Poly tetra Fluoro ethylene-perfluoro Alkyl vinyl ether copolymer、融点３００〜３１０℃）およびフッ化エチレンプロピレン樹脂（ＴＦＰ：Tetra Fluoro Propanol、融点２９０〜３００℃）等を用いることができる。
【００１７】
内側面１４３は、端部シール部材１４０のフッ素樹脂膜１４２によって被覆されない面である。内側面１４３は、端部シール材１４１の表面が露出している。端部シール部材１４０は、燃料電池内に内側面１４３が多孔質基材側（内側）を向くよう配置される（図２で詳しく説明する）。
【００１８】
外側面１４４は、内側面１４３と平行かつ対向する面である。外側面１４４は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
上面１４５は、内側面１４３および外側面１４４と垂直な面である。上面１４５は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
【００１９】
下面１４６は、上面１４５と平行かつ対向する面である。下面１４６は、フッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
なお、端部シール材１４１の長手方向の両端面もフッ素樹脂膜１４２によって被覆される。
【００２０】
このように、端部シール部材１４０の内側面１４３をフッ素樹脂膜１４２によって被覆せず、端部シール材１４１が電解質等の液体を含むようにする。
これにより、端部シール材１４１が適宜膨潤して、クリープによるシール圧の低下を防止することができ、経時的なガスリークの発生を抑止することができる。
【００２１】
また、外側面１４４、上面１４５、下面１４６および長手方向の両端面をフッ素樹脂膜１４２によって被覆することで、はっ水効果を得ることができる。これにより、端部シール材１４１が電解質を含んでも、外側面１４４、上面１４５、下面１４６および長手方向の両端面等から電解質が漏れることを防止することができる。電解質の漏れの防止は、燃料電池のセル間での液絡防止の効果もある。
【００２２】
なお、端部シール材１４１は、電解質を含むことができれば、内側面１４３の全面が露出されている必要は無く、例えば、内側面１４３の一部がフッ素樹脂膜１４２で被覆されていてもよい。
【００２３】
以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本実施の形態の燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した図である。燃料電池１００は、セパレータ１１０ａおよびセパレータ１１０ｂの間に形成される単位セルと、セパレータ１１０ｂおよびセパレータ１１０ｃの間に形成される単位セルとが２層に積層された状態を示している。
【００２４】
セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、ガス不透過性および電解質に対する耐食性を満たしている。セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、例えば、セルロース繊維からなる紙に熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥後積層してプレスし、更に焼成して作成される。
【００２５】
セパレータ１１０ａ，１１０ｂに挟持される単位セルは、図示しない電解質層を挟んで配置された触媒層を有する電極部１３０ａ（燃料電極）と電極部１３０ｂ（空気電極）を有する。更に、上記単位セルは、電解質層、電極部１３０ａおよび電極部１３０ｂを挟んで配置された、酸化剤ガスまたは空気の流路（以下、空気流路とする）を形成するリブ付きの多孔質基材１２０ａ，１２０ｂを有する。多孔質基材１２０ａおよび電極部１３０ａを含む層を燃料極触媒層と称する。また、多孔質基材１２０ｂおよび電極部１３０ｂを含む層を空気極触媒層と称する。多孔質基材１２０ａ，１２０ｂの材料としては、例えば、多孔質カーボンを用いることができる。燃料電池１００の例では、燃料ガス流路と空気流路とは、互いに直交するように重ね合わされている。
【００２６】
また、セパレータ１１０ｂ，１１０ｃに挟持される単位セルについても同様に、電解質層を挟んだ両面に多孔質基材１２０ｃおよび電極部１３０ｃと、多孔質基材１２０ｄおよび電極部１３０ｄが配置されている。
【００２７】
なお、電解質層には、例えば、電解質としてリン酸が保持される。更に、電解質層で電界質として使用するリン酸が不足しないよう、多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄおよび電極部１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄにもリン酸水溶液を含浸し、保持する。これにより、電解質層に電界質であるリン酸を供給し続けることができる。
【００２８】
多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのガス流路に平行な外縁部には、それぞれのガスが対極に漏洩しないように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置される。
【００２９】
端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、図１に示した端部シール部材１４０と同様に形成されている。すなわち、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、膨張黒鉛シート等の端部シール材の多孔質基材側の面を除く表面が、フッ素樹脂により被覆されて形成される。ここで、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄという場合、それぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄを挟んで配置される１対の端部シール部材を示す。
【００３０】
また、端部シール部材１４０ａの下面には、多孔質基材１２０ａおよび電極部１３０ａと端部シール部材１４０ａの製作誤差を吸収するクッション部材１５０ａが挿入される。ここで、クッション部材１５０ａ，１５０ｂという場合、それぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｃを挟んで配置される１対のクッション部材を示す。
【００３１】
クッション部材１５０ａは、多孔質基材１２０ｂおよび電極部１３０ｂと端部シール部材１４０ｂの製作誤差も吸収する。また、クッション部材１５０ｂも同様に、多孔質基材１２０ｃおよび電極部１３０ｃと端部シール部材１４０ｃの製作誤差や多孔質基材１２０ｄおよび電極部１３０ｄと端部シール部材１４０ｄの製作誤差を吸収する。クッション部材１５０ａ，１５０ｂとしては、端部シール材１４１と同様の材料を用いることができる。クッション部材１５０ａ，１５０ｂの材料として、例えば、発泡ＰＴＦＥが用いられる。
【００３２】
このような構成の燃料電池１００では、セパレータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃによって、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂが、ガス漏洩が発生しない適切なシール圧で保持される。しかし、燃料電池１００を長時間使用していると端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂのクリープによって、シール圧が低下し、ガス漏洩の原因となる。
【００３３】
図３は、燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は使用開始時、（Ｂ）は長時間使用後の状態を示している。図３は、図２における記号Ｘで示した箇所を燃料電池１００の奥行き方向から見た拡大図である。図２で示した構成に加えて、電解質層１６０ａを更に図示している。燃料電池１００は、使用開始時では、（Ａ）に示すように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａが、セパレータ１１０ａ，１１０ｂによりガス漏洩が発生しない適切なシール圧で保持されている。しかし、（Ｂ）に示すように長時間の使用後には、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａのクリープによる形状変化（シール圧方向の厚さ減少）が生じ、シール圧が低下する。
【００３４】
なお、図３は、クリープによる厚さ減少分が分かり易いよう模式的に示している。
これに対し、燃料電池１００では、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄのそれぞれ多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ側（内側）の面は、フッ素樹脂膜によって被覆しないこととしている。すなわち、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄに用いられる端部シール材は、多孔質基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ等に保持された電解質を含んで膨潤可能としている。
【００３５】
図４は、燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は端部シール部材への電解質の含浸、（Ｂ）は膨潤後の端部シール部材を示している。燃料電池１００は、（Ａ）に示すように端部シール部材１４０ａ，１４０ｂやクッション部材１５０ａのシール圧方向の厚さ減少の分だけ電解質を含んで膨潤する。そして、（Ｂ）に示すように厚さ減少によるシール圧の低下を補てんして、ガス漏洩が発生しない適切なシール圧を保持する。
【００３６】
このように、燃料電池１００の端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄやクッション部材１５０ａ，１５０ｂのクリープによる厚さ減少の分だけ膨潤してシール圧の低下を防止する。これにより、燃料電池１００の経時的なガス漏洩の発生を抑止することができる。
【００３７】
また、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄの多孔質基材側の面以外の面はフッ素樹脂膜によって被覆されており、はっ水効果を有している。このため、端部シール材１４１が電解質を含んでも、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄの多孔質基材側の面以外の外側面に電解質が漏れることを防止することができる。電解質の漏れの防止は、燃料電池１００のセル間での液絡防止の効果もある。このようにして、端部シール部材１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、燃料電池１００での使用に際して所望されるガス不透過性および電解質不漏洩性を備える。
【００３８】
次に、このような端部シール部材１４０の製造方法の具体例について説明する。
（製造方法例１）
まず、昭和電工（株）製ガラス状カーボン板（ＳＧ−３、厚さ０．６ｍｍ）を１３０×１３０ｍｍに切断してセパレータとする。そして、東洋炭素（株）製膨張黒鉛シート（ＰＦ２５０、厚さ２．５ｍｍ、かさ密度０．６５ｇ／ｃｍ3）を１８×１３０ｍｍに切断し、端部シール材とする。更に、セパレータと端部シール材との間に端部シール材と同寸法に切断した厚さ５０μｍのデュポン社製ＦＥＰ（融点２５０〜２８０℃）シートを挿入し、温度約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シール材とを一体化する。そして、端部シール材の多孔質基材側となる面を除く外側面の表面にＦＥＰシートを温度約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着して、端部シール部材を形成する。
【００３９】
（製造方法例２）
まず、製造方法例１と同様に、東洋炭素（株）製膨張黒鉛シート（ＰＦ２５０、厚さ２．５ｍｍ、かさ密度０．６５ｇ／ｃｍ3）を１８×１３０ｍｍに切断し、端部シール材とする。そして、端部シール材を予め三井フロロケミカル製ＦＥＰディスパージョンである「テフロン（登録商標）１２０Ｊ」中にディップし、２９０℃の電気炉中で１時間焼成して、はっ水処理を施す。その際、端部シール材の多孔質基材側となる面には、はっ水処理を施さないようにする。このために、例えば、端部シール材の多孔質基材側となる面がテフロン液に接触しないよう、端部シール材がテフロン液に浸かる液面高さを調整する治具を用意する。そして、この治具に端部シール材を設置してテフロン液にディップすることで、容易に多孔質基材側となる面に、はっ水処理が施されないよう端部シール部材を形成することができる。
【００４０】
その後、セパレータ上に端部シール部材を配置し、約２９０℃で１．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて圧力保持時間１０分の条件で熱融着し、セパレータと端部シール部材とを一体化する。
【００４１】
なお、製造方法例１，２で使用するフッ素樹脂には、ＦＥＰの他にも、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡおよびＴＦＰ等を用いることができる。これらは、例えば、厚さ５０μｍのシート状やディスパージョンの状態で使用する。
【００４２】
上記の方法を用いて製作した端部シール部材を利用して製作された燃料電池は、端部シール部材を透過してのガス漏れ量が３００ｍｍＡｑの差圧化で０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下であった。また、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ2で２０００時間運転後も漏れの増加は無く、端部シール部材やクッション部材のクリープによるガス漏れ量の増加は見られなかった。更に、運転後の分解調査の結果、端部シール部材の腐食や端部シール部材表面における電解質の液絡も発生しなかった。すなわち、好的な端部シール部材を備えた燃料電池が得られることが確認された。
【００４３】
なお、本実施の形態では、燃料電池にクッション部材を使用する構成を例示して説明した。しかし、クッション部材は、端部シール部材による適切なシール効果を得るために必要に応じて挿入されるものである。このため、端部シール部材のみよって適切なシール効果を得られる場合には、クッション部材を使用する必要は無い。クッション部材を使用しない場合でも、本実施の形態の端部シール部材を適用可能である。
【００４４】
また、本実施の形態では、端部シール部材を直方体の形状として例示したが、燃料電池の設計に応じて他の柱体に形成されてもよい。
更に、従来では、所望のシール性能を有する端部シール部材を得るために、例えば、端部シール材として使用する膨張黒鉛シートのかさ密度等の性質も最適となるよう管理する必要があった。これに対して、本発明の端部シール部材では、このような管理が不要となるため、かさ密度等の性質毎に多種の端部シール材を用意する必要が無くなる。このため、部品の管理工数や在庫数を抑えることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態の燃料電池の端部シール部材単体を示した図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は長手方向に対する片側端の側面図である。
【図２】本実施の形態の燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した図である。
【図３】燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は使用開始時、（Ｂ）は長時間使用後の状態を示している。
【図４】燃料電池の一部拡大図であって、（Ａ）は端部シール部材への電解質の含浸、（Ｂ）は膨潤後の端部シール部材を示している。
【図５】燃料電池の単位セルを２積層した状態を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 燃料電池
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ セパレータ
１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ 多孔質基材
１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ 電極部
１４０，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ 端部シール部材
１４１ 端部シール材
１４２ フッ素樹脂膜
１４３ 内側面
１４４ 外側面
１４５ 上面
１４６ 下面
１５０ａ，１５０ｂ クッション部材
１６０ａ 電解質層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池において、
前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材を配置する時、前記第１の端部シール材の前記第１の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される第１の端部シール部材と、
前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材を配置する時、前記第２の端部シール材の前記第２の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される第２の端部シール部材と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１の端部シール材および前記第２の端部シール材が、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記はっ水処理は、前記第１の端部シール材および前記第２の端部シール材の表面をフッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の端部シール部材または前記第２の端部シール部材の上面または下面に配置されたクッション部材を更に有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池の前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部と、前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部と、に配置される端部シール部材において、
膨潤性を有する所定の端部シール材が、前記配置時に前記多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成されることを特徴とする端部シール部材。
【請求項６】
前記端部シール材は、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項５記載の端部シール部材。
【請求項７】
前記はっ水処理は、フッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項５記載の端部シール部材。
【請求項８】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池の前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部と、前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部と、に配置される端部シール部材の製造方法において、
膨潤性を有する所定の端部シール材が、前記配置時に前記多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施す手順を有することを特徴とする端部シール部材の製造方法。
【請求項９】
前記端部シール材は、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項８記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１０】
前記はっ水処理は、フッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項８記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１１】
前記フッ素樹脂材はシート状に形成されており、
前記はっ水処理は、シート状の前記フッ素樹脂材を前記端部シール材に熱融着して被覆することを特徴とする請求項１０記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１２】
前記フッ素樹脂材は液体状であり、
前記はっ水処理は、前記端部シール材の前記配置時に前記多孔質基材側となる面が前記フッ素樹脂材に触れないように液体状の前記フッ素樹脂材に浸し、その後、前記端部シール材に付着した前記フッ素樹脂材を前記端部シール材に熱融着して被覆することを特徴とする請求項１０記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池において、
前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第１の端部シール材を配置する時、前記第１の端部シール材の前記第１の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される第１の端部シール部材と、
前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部に、膨潤性を有する所定の第２の端部シール材を配置する時、前記第２の端部シール材の前記第２の多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施して形成される第２の端部シール部材と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１の端部シール材および前記第２の端部シール材が、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記はっ水処理は、前記第１の端部シール材および前記第２の端部シール材の表面をフッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の端部シール部材または前記第２の端部シール部材の上面または下面に配置されたクッション部材を更に有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池の前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部と、前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部と、に配置される端部シール部材において、
膨潤性を有する所定の端部シール材が、前記配置時に前記多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施されて形成されることを特徴とする端部シール部材。
【請求項６】
前記端部シール材は、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項５記載の端部シール部材。
【請求項７】
前記はっ水処理は、フッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項５記載の端部シール部材。
【請求項８】
電解質を保持した電解質層を燃料極触媒層と空気極触媒層とで挟み、前記燃料極触媒層に燃料ガスのガス流路を有する第１の多孔質基材を配置し、前記空気極触媒層に酸化剤ガスのガス流路を有する第２の多孔質基材を配置した単位セルと、ガス不透過性のセパレータとが積層される燃料電池の前記第１の多孔質基材に形成される前記燃料ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第１の多孔質基材の端部と、前記第２の多孔質基材に形成される前記酸化剤ガスのガス流路と平行な相対する二辺の前記第２の多孔質基材の端部と、に配置される端部シール部材の製造方法において、
膨潤性を有する所定の端部シール材が、前記配置時に前記多孔質基材側となる面を除く表面に、はっ水処理を施す手順を有することを特徴とする端部シール部材の製造方法。
【請求項９】
前記端部シール材は、膨張黒鉛シートであることを特徴とする請求項８記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１０】
前記はっ水処理は、フッ素樹脂材により被覆して施されることを特徴とする請求項８記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１１】
前記フッ素樹脂材はシート状に形成されており、
前記はっ水処理は、シート状の前記フッ素樹脂材を前記端部シール材に熱融着して被覆することを特徴とする請求項１０記載の端部シール部材の製造方法。
【請求項１２】
前記フッ素樹脂材は液体状であり、
前記はっ水処理は、前記端部シール材の前記配置時に前記多孔質基材側となる面が前記フッ素樹脂材に触れないように液体状の前記フッ素樹脂材に浸し、その後、前記端部シール材に付着した前記フッ素樹脂材を前記端部シール材に熱融着して被覆することを特徴とする請求項１０記載の端部シール部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−３０１８３７（Ｐ２００９−３０１８３７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５４２８２（Ｐ２００８−１５４２８２）
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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