燃料電池及びその製造方法
【課題】ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上を図ることが可能な、又は低コスト化を図ることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電解質１と、電解質１を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極２ａ，２ｂと、一対のガス拡散電極２ａ，２ｂを外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータ６、７と、ガス拡散電極２ａ，２ｂの周囲の、電解質１と一対のセパレータ６、７との間に配設された、一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段４、５とを備え、燃料ガス側セパレータ６と燃料ガス拡散電極２ａと電解質１と燃料ガス側シール手段４とによって囲まれた燃料ガス側の空間９の少なくとも一部を燃料ガスが通れないように、液状シール剤１１が硬化した状態で燃料ガス側の空間９の少なくとも一部に形成されている燃料電池。
【解決手段】電解質１と、電解質１を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極２ａ，２ｂと、一対のガス拡散電極２ａ，２ｂを外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータ６、７と、ガス拡散電極２ａ，２ｂの周囲の、電解質１と一対のセパレータ６、７との間に配設された、一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段４、５とを備え、燃料ガス側セパレータ６と燃料ガス拡散電極２ａと電解質１と燃料ガス側シール手段４とによって囲まれた燃料ガス側の空間９の少なくとも一部を燃料ガスが通れないように、液状シール剤１１が硬化した状態で燃料ガス側の空間９の少なくとも一部に形成されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、反応ガスである水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。
【０００３】
その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、反応ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。これをＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。
【０００４】
次に、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これを、ＭＥＳＡ（電極電解質膜シール材接合体）と呼ぶ。ＭＥＳＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータ板と別に設けることも出来るが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
この溝に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のもある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００６】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＳＡとセパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定し、まわりを断熱材で囲むのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
このような固体高分子型の燃料電池におけるガスケットは、セパレータと拡散層との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度か十分な弾性と十分なガスケット締め代が必要であった。
【０００８】
このような理由から、従来のガスケットは樹脂やゴムで出来たシート状の平ガスケットやゴムで出来たＯリング等が用いられていた。
【０００９】
また、最近ではスタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化、低コスト化を行うためガスケットのシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている（例えば、特許文献１、及び２参照。）。
【００１０】
また、Ｏリング形状等ガスケットにある程度の断面積があるものは、ガスケットをセパレータ側に構成した試みも行われている。
【特許文献１】特開平１１−２３３１２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電解質膜を挟んでシールするＯリング形状等のガスケット構成では、Ｏリング部で電解質膜をセパレータに押し付けることでシールを行う。そのため燃料極側ガスシールと酸化極側ガスシールとの二重ガスシール構成が必要でありシール部位が大型化する課題があった。さらにＯリング部が入る溝をセパレータに構成する必要があり、その溝寸法を確保するためセパレータの厚さを薄く出来ない等の制約があった。そのため積層電池での体積の増大やコスト増、複雑なセパレータ形状が必要であるため、セパレータ加工時の歩留まりの悪化原因になっていた。
【００１２】
また、積層電池を組み付ける際、セパレータを下に置きその上にＭＥＳＡあるいはＭＥＡを置き、その上にセパレータあるいはガスケットとセパレータを重ねそれを積み重ねていく工程をとる。その際ＭＥＡの上に置くガスケットあるいはセパレータは組み付け治具のガイドにより組み付けていた。しかし、各部品には寸法誤差があり電極とガスケット、セパレータの組み付け性の観点からガスシール部と電極部の間には作業性あるいは製造の歩留まり性を確保するためのクリアランスが必要であった。
【００１３】
このクリアランスが小さい場合、組み付け時の信頼性が低くシール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電極にシール部が当たり、電池性能の低下や、電極への過大な面圧が働き電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こしていた。
【００１４】
特にガスケットとＭＥＡの間のクリアランスは大きくとらなければ、組み付け性を確保出来なかった。ここで、このガスケットとＭＥＡの間のクリアランスには反応ガスが流れるため、クリアランスを大きくすると、反応ガスがセパレータ流路を流れずにショートカットしてしまう。さらに、このクリアランスはＭＥＡ、ガスケット、組み付け誤差等で各セル毎にばらつき、各セル間の圧力損失ばらつきの原因となっていた。
【００１５】
このように各セル間に圧力損失のばらつきがあった場合、積層電池において各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガス流量にばらつきが生じ、結果電池性能がばらつき、発電電圧低下、耐久性低下、低出力運転時の安定性低下等の弊害があった。これらの症状は反応ガスの利用率が比較的大きい燃料ガス側で顕著であった。
【００１６】
また、それらのクリアランスを低減するためガスケットと電極間のクリアランスを少なくしていった場合、部品寸法の精度向上の必要性があり、歩留まりの低下、部品コストの上昇を招いていた。特に成形セパレータでは組み立て時に利用する位置決め用ガイド部等の加工精度に限界があるため、位置決め用ガイド部の精度向上に限界があり、クリアランスを低減することが困難であった。そのためセパレータを成形後、位置決め用ガイド部分を後加工で追加していた。結果、コスト上昇を招いていた。
【００１７】
また、平形状のガスケットでは、ガスケットの占める体積は低減可能であるものの、上記の組付けに関する課題やクリアランス部の反応ガスのバイパスに関する課題は共通で存在する。
【００１８】
上記従来の課題を考慮し、本発明の目的は、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上を図ることが可能な、又は低コスト化を図ることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、電解質と、前記電解質を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極と、前記燃料ガス又は酸化剤ガスを前記一対のガス拡散電極に供給するためのガス流路溝部とガス供給溝部とガス排出溝部を有するガス流路溝が形成され、前記一対のガス拡散電極を外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータと、前記ガス拡散電極の周囲の、前記電解質と前記一対のセパレータとの間に配設された、前記ガスの気密を保つための一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段とを備え、前記ガス流路溝部は前記一対のセパレータの前記ガス拡散電極に対応する箇所に形成され、前記ガス供給溝部と前記ガス排出溝部は、前記ガス拡散電極に対応する以外の箇所に形成されており、（１）前記燃料ガス側セパレータと前記燃料ガス拡散電極と前記電解質と前記燃料ガス側シール手段とによって囲まれた燃料ガス側の空間へ前記燃料ガス側セパレータのガス供給溝部から前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス流路溝部へ前記燃料ガスが供給されるように、（２）又は前記燃料ガス側の空間から、前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部から前記燃料ガスが排出されるように、（３）又は前記燃料ガス側の空間の、前記燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記燃料ガスが通れないように、液状シール剤が硬化した状態で前記燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている燃料電池である。
【００２０】
又、第２の本発明は、（１）前記酸化剤ガス側セパレータと前記酸化剤ガス拡散電極と前記電解質と前記酸化剤ガス側シール手段とによって囲まれた酸化剤ガス側の空間へ前記酸化剤ガス側セパレータのガス供給溝部から前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガスセパレータのガス流路溝部へ前記酸化剤ガスが供給されるように、（２）又は前記酸化剤ガス側の空間から前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部から前記酸化剤ガスが排出されるように、（３）又は前記酸化剤ガス側の空間の、前記酸化剤ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記酸化剤ガスが通れないように、前記液状シール剤が硬化した状態で前記酸化剤ガス側の空間の少なくとも一部に更に形成されている第１の本発明の燃料電池である。
【００２１】
又、第３の本発明は、前記燃料ガス側の空間は、前記燃料ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される燃料ガス側第１の空間と燃料ガス側第２の空間で構成され、前記燃料ガス側の空間を前記ガスが通れないように前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記燃料ガス側第１の空間と前記燃料ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている第１の本発明の燃料電池である。
【００２２】
又、第４の本発明は、前記酸化剤ガス側の空間は、前記酸化剤ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される酸化剤ガス側第１の空間と酸化剤ガス側第２の空間で構成され、前記酸化剤ガス側の空間を前記ガスが通れないように、前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記酸化剤ガス側第１の空間と前記酸化剤ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている第２の本発明の燃料電池である。
【００２３】
又、第５の本発明は、前記液状シール剤は、オレフィン系シール剤であり、硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・Ｓの範囲である第１の本発明の燃料電池である。
【００２４】
又、第６の本発明は、前記オレフィン系シール剤は、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０である第５の本発明の燃料電池である。
【００２５】
又、第７の本発明は、前記オレフィン系シール剤は、ブチルゴムを含んでいる第５の本発明の燃料電池である。
【００２６】
又、第８の本発明は、前記燃料側、及び／又は酸化剤ガス側の拡散層は、カーボンクロスを主成分としている第１の本発明の燃料電池である。
【００２７】
又、第９の本発明は、第１〜８のいずれかの本発明の燃料電池を製造する方法において、前記電解質に前記ガス拡散電極を接合し、電極／電解質接合体を作成する工程と、前記シール手段を前記セパレータに圧着する工程と、前記電極／電解質接合体と前記セパレータを組み付ける工程と、前記セパレータに設けられた、前記空間に連通した貫通孔から前記液状シール剤を注入する工程とを備えた燃料電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上を図ることが可能な、又は低コスト化を図ることが可能な燃料電池及び製造方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の燃料電池の一実施例である、本実施の形態１における固体高分子型燃料電池の構成について以下に説明する。
【００３１】
図１は、本実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の縦断面図である。本実施の形態１における固体高分子型燃料電池は、複数の積層された単電池１６を備えている。この単電池１６は、水素イオンを選択的に輸送する、本発明の電解質の一例であるプロトン伝導性高分子電解質膜１を備えている。このプロトン伝導性高分子電解質膜１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層が形成されている。
【００３２】
また、この触媒反応層の外面に、反応ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層が形成されており、この拡散層と触媒反応層とを合わせてガス拡散電極２とする。このガス拡散電極２は、プロトン伝導性高分子電解質膜１の両面に形成されており一方が燃料ガス拡散電極２ａであり、他方が酸化剤ガス拡散電極２ｂである。これら、プロトン伝導性高分子電解質膜１と燃料ガス拡散電極２ａと酸化剤ガス拡散電極２ｂを合わせて、ＭＥＡ３（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。
【００３３】
また、この一対のガス拡散電極２の周囲には、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合しないように、プロトン伝導性高分子電解質膜１を挟んで、本発明の燃料ガス側シール手段の一例である燃料ガス側ガスケット４と本発明の酸化剤ガス側シール手段の一例である酸化剤ガス側ガスケット５が設置されている。これら燃料ガス側ガスケット４及び酸化剤ガス側ガスケット５は、ガス拡散電極２及びプロトン伝導性高分子電解質膜１と一体化して予め組み立てられており、これをＭＥＳＡ（電極電解質膜シール材接合体）と呼ぶ。
【００３４】
このＭＥＳＡを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側セパレータ７が、ＭＥＡ３を外側から挟むように配設されている。この燃料ガス側セパレータ６には、ＭＥＡ３と接触する部分である電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガス等を運び去るための燃料ガス流路溝１２が形成されている。また、その反対面には冷却するための冷却水を流すための冷却水流路溝１４が形成されている。燃料ガス側セパレータと同様に、酸化剤ガス側セパレータ７にも酸化剤ガス流路溝１３が形成されており、その反対面に冷却水流路溝１５が形成されている。
【００３５】
ここで、組み立てる際に燃料ガス拡散電極２ａと接触しないように、燃料ガス側ガスケット４は設置されている。このため、プロトン伝導性高分子電解質膜１と燃料ガス側セパレータ６と燃料ガス拡散電極２ａと燃料ガス側ガスケット４の間に、本発明の燃料ガス側の空間の一例であるクリアランス部９が形成される。尚、酸化剤ガス側にも上記と同様に、本発明の酸化剤ガス側の空間の一例であるクリアランス部１０が形成される。
【００３６】
また、燃料ガス側セパレータ６には、燃料ガス流路溝１２の形成面から反対面まで、クリアランス部９に開口部を有する貫通孔８が設けられている。同様に、酸化剤ガス側セパレータ７にも、そのクリアランス部１０に開口部を有する貫通孔８が設けられている。これらクリアランス部９、１０には、液状シール剤１１が硬化した状態で充填されている。
【００３７】
この燃料ガス側ガスケット４のプロトン伝導性高分子電解質膜１と接触する部分は、図１に示す様にリップ形状をしている。また、酸化剤ガス側ガスケット５は、プロトン伝導性高分子電解質膜１と接触する側は、平形状をしている。
【００３８】
次に、セパレータの構造について以下に詳しく述べる。
【００３９】
図２（ａ）は燃料ガス流路溝１２が形成された側の燃料ガス側セパレータ６の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の反対の面である冷却水流路溝１４が形成された側の燃料ガス側セパレータ６の平面図である。図２（ｃ）は、燃料ガス側セパレータ６の側面図である。
【００４０】
また、図３（ａ）は、酸化剤ガス流路溝１３が形成された側の酸化剤ガス側セパレータ７の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の反対面である冷却水流路溝１５が形成された側の酸化剤ガス側セパレータ７の平面図である。図３（ｃ）は、酸化剤ガス側セパレータ７の側面図である。
【００４１】
図２、３に示す様に、燃料ガス側セパレータ６及び、酸化剤ガス側セパレータ７には、その周囲に燃料ガスを供給し、その残存ガス等を排出するための燃料ガス入口マニホールド２１と燃料ガス出口マニホールド２２が開設されている。さらに、酸化剤ガス入口マニホールド２３及び酸化剤ガス出口マニホールド２４と、冷却水入口マニホールド２５及び冷却水出口マニホールド２６も各セパレータの周囲に開設されている。
【００４２】
これら各出入口マニホールドに囲まれた部分に、各流路溝が形成されている。燃料ガス側セパレータ６には、片面に燃料ガス流路溝１２が、反対面には冷却水流路溝１４が形成されている。また、酸化剤ガス側セパレータ７には、片面に酸化剤ガス流路溝１３が、反対面には冷却水流路溝１５が形成されている。
【００４３】
ここで、流路溝について、燃料ガス流路溝１２を例に挙げて説明をする。図４は、燃料ガス流路溝１２の平面図である。図４に示す様に、燃料ガス流路溝１２は、複数本の平行な溝によって構成されている。また、燃料ガス流路溝１２は、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス流路溝１２へ燃料ガスを導く、燃料ガス供給溝部１２ａと、燃料ガス拡散電極２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝部１２ｂと、本発明の燃料ガス流路溝１２から燃料ガス出口マニホールド２２へと残存ガス等を導く、燃料ガス排出溝部１２ｃとを有している。この燃料ガス流路溝部１２ｂは、この形成面を上面から見ると実質上正方形状になっている。
【００４４】
また、酸化剤ガス流路溝１３も上記と同様に、酸化剤ガス供給溝部１３ａと、酸化剤ガス流路溝部１３ｂと、酸化剤ガス排出溝部１３ｃとを有している。又、冷却水流路溝１４、１５は冷却水入口マニホールド２５と冷却水出口マニホールド２６に繋がっている。
【００４５】
これらの各マニホールドの位置は、この燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側セパレータ７を組み立てた際に、一致するように開設されている。
【００４６】
また、図１において説明した様に、燃料ガス側セパレータ６及び酸化剤ガス側セパレータ７には、燃料ガス流路溝部１２ｂ及び酸化剤ガス流路溝部１３ｂの周囲近傍に貫通孔８が８箇所設けられている。これらの貫通孔８が設けられている場所は、燃料ガス流路溝部１２ｂ及び酸化剤ガス流路溝部１３ｂ流路溝が形成されている部分である正方形状の各頂点の周囲４箇所と各辺の中心の周囲４箇所である。
【００４７】
また、燃料ガス流路溝１２が形成されている燃料ガス側セパレータ６の平面６ａ上に、各マニホールドと、貫通孔８も含めて燃料ガス流路溝部１２ｂが形成されている部分とを囲うように燃料ガス側ガスケットライン２７が形成されている。この燃料ガス側ガスケットライン２７には、燃料ガス側ガスケット４が取り付けられている。燃料ガス側セパレータ６と同様に、酸化剤ガス流路溝１３が形成されている酸化剤ガス側セパレータの平面７ａにも酸化剤ガス側ガスケットライン２８が形成されており、酸化剤ガス側ガスケット５が取り付けられている。
【００４８】
また、冷却水流路溝１５が形成されている酸化剤ガス側セパレータの平面７ｂにも、上記と同様に冷却水用ガスケットライン２９が形成されており、ガスケットが取り付けられている。尚、この面は単電池の積層時に、図１（ｂ）に示す、ガスケットを有していない燃料ガス側セパレータの冷却水流路溝１４の形成面６ｂに対面する。尚、図２及び図３に示されている燃料ガス側セパレータ６及び酸化剤ガス側セパレータ７を単電池に組んだ際のＡＡ´における断面図が図１である。
【００４９】
次に、クリアランス部９、１０について詳しく述べる。
【００５０】
図５は、燃料ガス側セパレータ６に燃料ガス拡散電極２ａ（拡散層と触媒反応層）を設置した状態の平面図である。図２（ａ）と比較すると明らかなように、燃料ガス流路溝部１２ｂが形成されている部分に対応して燃料ガス拡散電極２ａが設置されている。単電池１６を組み立てる際に、燃料ガス拡散電極２ａとガスケットライン２７の間がクリアランス部９を形成し、貫通孔８の開口部を有している。
【００５１】
また、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス出口マニホールド２２へクリアランス部９を介して燃料ガスがショートカットする経路は、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス供給溝部１２ａ方向をみて（図５における矢印Ｓ方向）、右方向への経路と、左方向への経路の２つの経路がある。この右側の経路は、図５では、燃料ガス流路溝１２を基準とする左側の空間であるクリアランス部９ａに相当し、左側の経路は、右側の空間であるクリアランス部９ｂに相当する。
【００５２】
尚、本発明の燃料ガス側第１の空間と第２の空間は、本実施の形態１におけるクリアランス部９ａ及び９ｂに相当する。また、図５では、クリアランス部９ａを左下がりの斜線、クリアランス部９ｂを右下がりの斜線で示している。
【００５３】
尚、酸化剤ガス側も同様にクリアランス部１０は、２つの空間で構成され、それらの２つの空間は、本発明の酸化剤ガス側第１の空間と第２の空間に相当する。
【００５４】
また、図１と図５に示される様に、燃料ガス供給溝部１２ａと燃料ガス排出溝部１２ｃはクリアランス部９をまたいでおり、溝が形成されている面上に燃料ガス側ガスケット４が設置されている。酸化剤ガス側も同様に、酸化剤ガス供給溝部１３ａと酸化剤ガス排出溝部１３ｃがクリアランス部１０をまたいでいる。
【００５５】
本実施の形態１の固体高分子型燃料電池は、１０〜２００セル積層された上記構成の単電池１６を備えており、その両端に集電板と絶縁板が配置されている。この絶縁板の外側には、積層された単電池と集電板と絶縁板を固定するための端板と締結ボルトが配設されており、これらは断熱材によって囲まれている（図示せず）。
【００５６】
上記構成の本実施の形態１における固体高分子型燃料電池の製造方法について以下に述べる。
【００５７】
始めに、アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものとパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末を混合したものを、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布を主成分とする拡散層の一方の面に塗布乾燥しガス拡散電極２を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２となるよう調整した。
【００５８】
次に、これらのガス拡散電極２は、正極・負極共に同一構成とし、ガス拡散電極２より大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜１の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）３を作成した。
【００５９】
ここでは、プロトン伝導性高分子電解質膜１として、パーフルオロカーボンスルホン酸を１７５μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。このプロトン伝導性高分子電解質膜１のサイズは後述するセパレータサイズと同じ大きさとし、プロトン伝導性高分子電解質膜１には燃料ガス用、冷却水用、酸化剤ガス用入口及び出口マニホールドに対応した大きさの穴を打ち抜き型により加工した。
【００６０】
次に、気密等方性黒鉛板に機械加工によりガス流路、及びマニホールドを形成した。燃料ガス側セパレータ６は、片側に燃料ガス流路溝１２と燃料ガス側ガスケットライン２７を加工し、反対の面に冷却水流路溝１４を加工した。また、酸化剤ガス側セパレータ７は、片側に酸化剤ガス流路溝１３と酸化剤ガス側ガスケットライン２８を加工し、反対の面に冷却水流路溝１５及び冷却水用ガスケットライン２９を加工した。これらのセパレータの厚さは３ｍｍ、板状部分の両側に形成された流路は３ｍｍピッチ（溝幅１．５ｍｍ）の溝形状から構成される形状とした。
【００６１】
これら流路部の周辺には酸化剤ガス用マニホールド、燃料ガス用マニホールド、冷却水用マニホールドを入口用、出口用合計２個づつ設けた。また、それぞれのセパレータの流路部の周辺には、組み立て後の液状シールを封入するための貫通孔８を８箇所形成した。
【００６２】
次に、酸化剤ガス側ガスケット５の材料として、片側に２５ミクロンのブチルゴム粘着剤のついた、厚さ１００ミクロンのポリイミドフィルム上に１２５ミクロンのフッ素ゴムを成形したものを作成した。続いて、そのガスケット材料にマニホールド、締結用ボルト穴、電極に対応する部位を抜き型で抜いてガスケットを作製した。電極に対応する箇所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で１ｍｍとなるように作製した。
【００６３】
また、燃料ガス側ガスケット４の材料として、片側に２５ミクロンのブチルゴム粘着剤のついた、厚さ１００ミクロンのポリイミドフィルムの上に、幅が３ｍｍ、厚さ１２５ミクロンのフッ素ゴム層を設けたものを作成した。さらに、その上に電極からの距離１ｍｍのところから垂直方向に半径２．５ｍｍの曲率で開き角度３５°、電極側に凸な断面形状を有するリップ状シール部材を電極を囲む位置にフッ素ゴムにて形成した。それ以外の箇所は厚さ１２５ミクロンのゴム層の幅３ｍｍの中心部に同様な断面形状を持つリップ状シール部材を形成した。
【００６４】
その後フッ素ゴムが成形されたポリイミドフィルムに、マニホールド、締結用ボルト穴、電極に対応する部位を抜き型で抜いてガスケットを作製した。電極に対応する箇所の寸法は上述した電極部とのクリアランスからあらかじめマーキングし作製した。ポリイミドフィルムへのフッ素ゴムの成形は、金型にポリイミドフィルムをセットし金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ２でフッ素ゴムを成型し、二次架橋は２００℃、１０ｈｏｕｒで行った。その後、ブチルゴム粘着面をポリイミドフィルムに転写接合し粘着面にはポリプロピレン製の離型フィルムでカバーを行った。
【００６５】
次に、上記のように製作した各ガスケットを対応する各セパレータにセットし、ホットプレスによりガスケットとセパレータの圧着を行った。このとき温度は１００℃、プレス荷重は２０００ｋｇｆ、加圧時間は１ｍｉｎであった。断面がリップ形状ガスケットをホットプレスする際は、リップ部をプレスでつぶさないよう治具を用いて作業を行った。
【００６６】
次に、燃料ガス側ガスケット４を接合した燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側ガスケット５を接合した酸化剤ガス側セパレータ７によって、電極面積１００ｃｍ２のＭＥＡ３を挟み、単位電池を構成した。単電池の積層毎に冷却水用ガスケット又はＯリングを介し冷却水を流す冷却部を設けた。
【００６７】
その組み立て手順を詳しく説明する。始めに、ガイドピンを立てた組み立て用治具を置き、その上に平形状ガスケットが付いた酸化剤ガス側セパレータ７を置く。
【００６８】
次に、ＭＥＡ３をガイドピンにそってセットする。その際ＭＥＡ３の酸化剤ガス拡散電極２ｂ（ガス拡散層と触媒反応層を合わせたもの）と酸化剤ガス側ガスケット５が干渉しないように積層する必要がある。ここで、ＭＥＡ３は組み立てる環境の湿度により大きく寸法が変化するため、酸化剤ガス側ガスケット５と酸化剤ガス拡散電極２ｂのクリアランスは大きくとる必要がある。ＭＥＡ３を安定的に組み付けるにはこのクリアランスは１ｍｍ以上必要であった。
【００６９】
次に、ＭＥＡ３をセットした後に、燃料ガス側セパレータ６を組み付ける。セパレータは不透明であるため、ＭＥＡ３の燃料ガス拡散電極２ａとガスケットが接する様を目視出来ないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行った。
【００７０】
次に、上記の様に組み立てた単電池１６において、あらかじめ作製しておいた、燃料ガス側セパレータ６に設けられたクリアランス部９に開口部を有する貫通孔８と、酸化剤ガス側セパレータ７に設けられたクリアランス部１０に開口部を有する貫通孔８とから液状シール剤１１を封入し、図１に示す様にクリアランス部９、１０を封止した。
【００７１】
ここで、液状シール剤１１としてはスリ−ボンド製ＴＢ１１５２やＴＢ１１５３が使用可能であるが、その他にもブチルゴム系が主成分であり、硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・ｓの範囲であり、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０の範囲の液状シール剤であれば使用可能である。
【００７２】
なお、硬化前の粘度が、４００Ｐａ・Ｓである液状シール剤を用いて上記と同様に貫通孔８から注入を行った後、単電池を分解し封止されているかの確認を行った。しかし、粘性が低いためにクリアランス部９、１０に沿って液状シール剤は流れていき、貫通孔８の周囲にて硬化しなかった。また、硬化前の粘度が、３０００Ｐａ・Ｓである液状シール剤を用いて貫通孔８から注入を行ったが、粘性が高すぎるため注入出来なかった。
【００７３】
次に、上記の様に作成した単電池１６を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層する。続いて、集電板と絶縁板を介し端板で積層された複数の単電池１６を挟み、締結ボルトで両端から固定する。最後に、固定された複数個の単電池１６と集電板と絶縁板のまわりを断熱材で囲む。
【００７４】
以上の構成及び製造方法の本実施の形態１における高分子電解質型燃料電池の動作について以下に述べる。
【００７５】
積層された単電池１６の燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガスを、酸化剤ガス入口マニホールド２３から、本発明の酸化剤ガスの一例である空気を各単電池１６に供給する。各単電池１６に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路溝１２を通り、燃料ガス拡散電極２ａに供給される。また酸化剤ガスも同様に酸化剤ガス拡散電極２ｂに供給される。
【００７６】
ここで、燃料ガス側を例に挙げて説明する。本実施の形態１では、クリアランス部９の一部を液状シール剤１１が硬化した状態で塞いでいるため、燃料ガス供給溝部１２ａからクリアランス部９を通って燃料ガス排出溝部１２ｃまで燃料ガスはショートカットすることが出来ない。そのため、燃料ガスは、クリアランス部９を通らずに、燃料ガス流路溝部１２ｂへと供給される。また、酸化剤ガス側も同様である。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスが電極に供給されることで、電気化学的反応を起こし電気と熱が発生する。
【００７７】
上述した様に、供給されたガスが入口から出口へ、クリアランス部９、１０を通ることを防ぐことにより安定した発電の可能な固体高分子型燃料電池を提供することが出来る。
【００７８】
また、クリアランス部９、１０を小さくする必要がないため、部品の精度向上を抑えることが出来、又、位置決め用ガイド部分を後加工で追加する必要がないため、製造時のコストの低減を図ることが可能である。
【００７９】
また、一対のガスケットの一方をリップ形状にしたことにより、より小さい締結力で良くなり、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、又は低コスト化を図ることが可能である。
【００８０】
尚、ガスケットの形態としてＯ−リングを用いたシール方式に比較し、本実施の形態１はＯ−リングシール溝の必要性がないため、その分セパレータ厚さを薄くし、積層電池をコンパクトに出来ることは言うまでもない。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例にて更に詳しく本発明の燃料電池について述べる。
【００８２】
（実施例１）
上記実施の形態１の固体高分子型燃料電池を構成する単電池を１０個用意し、単電池の状態で圧力損失を測定した結果を表１に示す。
【００８３】
この圧力損失測定方法としては、まず、酸化剤ガス入口マニホールド２３に２Ｌ／ｍｉｎの流量の空気を流し、酸化剤ガス出口マニホールド２４を大気開放の状態で入り口部の圧力を測定した。次に、酸化剤ガス側を開放し、燃料ガス入口マニホールド２１に０．５Ｌ／ｍｉｎのヘリウムを流し、出口を大気開放状態での入り口側の圧力を測定した。表１には、単電池の圧力損失の平均値とバラツキ範囲を示した。
【００８４】
（比較例１）
また、比較例として、実施例１の単電池の各セパレータに貫通孔を設けず、クリアランス部に液状シール剤による封止を行っていない単電池を用いた。また、組み立て方法も実施例１の単電池と同様の方法である。この比較例１の単電池の圧力損失値を実施例１と同様の方法を用いて測定した。実施例１の結果とともに表１に併記する。
【００８５】
【表１】
表１より、本実施例１の評価結果では、クリアランス部をガスが流れるショートカットが防止されているために、空気側、燃料側の圧力損失が比較例と比較して、高くなっていることが判る。また、比較例１では、ＭＥＡ３とガスケット４、５の位置がずれることによってクリアランスの大きさが変化し、ショートカットするガス量が増減するために、単電池間の圧力損失のバラツキが大きいが、本実施例ではショートカットが減少することによって、バラツキ幅も減少していることが判る。
【００８６】
（実施例２）
また、実施例１に用いた単電池の液状シール剤１１による封止箇所を変更し、実施例１と同様の方法で圧力損失値を測定した結果を表２に示す。
【００８７】
ここで、液状シール剤１１による封止箇所が２箇所の場合は、クリアランス部９ａとクリアランス部９ｂに開口部を有する貫通孔８を一箇所づつ設けて、そこに液状シール剤１１による封止を行う。これにより、ガスがクリアランス部９ａ及びクリアランス部９ｂを通るショートカット経路を遮断することが出来る。具体的には本実施例１では、図５において矢印Ｓ方向からみて、燃料ガス供給溝部１２ａの左近傍のクリアランス部９ｂに一箇所（図５における貫通孔８ａ）、燃料ガス排出溝部１２ｃの右近傍のクリアランス部９ａに一箇所（図５における貫通孔８ｂ）、貫通孔８を設けた。また、酸化剤ガス側も同様の構成とした。
【００８８】
また、封止箇所が４箇所の場合は、ガス流路溝が形成されている部分である正方形状の辺の中心４箇所に対応する箇所に封止を行う。尚、頂点４箇所に対応する箇所に封止を行っても良い。
【００８９】
また、封止箇所が８箇所の場合は、正方形状の頂点４箇所と辺４箇所に対応する場所に封止を行う。
【００９０】
また、封止箇所が１２箇所の場合は、８箇所の封止の場合に比べて、８箇所の場合の封止箇所の頂点と辺の中心の間に一箇所づつ、４箇所増やした箇所に封止を行う。このとき、クリアランス部９ａとクリアランス部９ｂのそれぞれに２箇所づつ振り分けられる。尚、酸化剤ガス側のクリアランス部１０ａと１０ｂも同様の構成とした。
【００９１】
【表２】
表２より、封止箇所は２箇所以上で効果があり、１２箇所以上では飽和することが判る。
【００９２】
（実施例３）
実施例１における単電池を５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の端板と締結ロッドで、１０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡ３とセパレータのあたりを確認した結果、ＭＥＡ３にかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ２であった。
【００９３】
この電池を燃料利用率８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、燃料ガスの加湿を露点７０℃、酸化剤ガス側の加湿を６５℃、酸化剤利用率を２０％から５％刻みで変更していく条件で発電を開始し、各条件で１２ｈｒの発電の安定性を示した特性を図６に示した。
【００９４】
（比較例２）
また、比較例１における単電池を実施例３と同様に積層し、実施例３と同じ条件で１２ｈｏｕｒにおける発電の安定性を測定した。その結果を実施例３とともに図６に示した。
【００９５】
図６に示す様に、比較例２の積層電池は酸化剤利用率が４０％以上の条件で出力電圧が不安定となり、５０％の酸化剤利用率では出力電圧の低下が確認された。それに対し本実施例の電池は６５％の酸化剤利用率まで安定した出力電圧が確認された。また、同様に水素側の利用率依存性も測定したが、結果は同様であった。
【００９６】
このことから比較例２における単電池を構成する酸化剤側のガス拡散電極とガスケットクリアランスでは、ガス拡散層とガスケットの間のクリアランスに反応ガスがバイパスし電池性能を維持するに必要な量の反応ガスを電極部へ供給出来ていないことが確認された。それに対して本実施例３では、ガス拡散電極とガスケットとのクリアランスを流れるバイパス流を低減し、電池性能の低下を防止することが可能であることが確認された。
【００９７】
（実施例４）
次に、本実施例ではＭＥＡ３に用いたＧＤＬ（ガス拡散層）の種類を変更したときの、本発明の効果を検証する。
【００９８】
ＧＤＬの種類としては、カーボンペーパーとカーボンクロスを用い、燃料ガス側、酸化剤ガス側に組み合わせた。
【００９９】
すなわち、両極にカーボンペーパーを用いた場合、及び燃料ガス側にカーボンペーパー、酸化剤ガス側にカーボンクロスを用いた場合、及び両極にカーボンクロスを用いた場合の３種類の単電池を用意した。
【０１００】
ここで、カーボンペーパーとしては、東レ製ＴＧＰＨ０６０を用いた、またカーボンクロスとしては日本カーボン製ＧＦ−２０−Ｅを用いた。
【０１０１】
これら３種類の単電池の圧力損失値を実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表３に示す。
【０１０２】
【表３】
一般的に、カーボンクロスはカーボンペーパーに対して形状安定性が悪く、端部のほつれなどによってクリアランス部の形状が安定しない傾向にある。一方、カーボンクロスはカーボンペーパーに比較して柔らかいために、セパレータによって締結された際に、セパレータの流路部にカーボンクロスが垂れ込むために、圧力損失が４０％程度上昇することが知られている。このため、カーボンクロスを用いた場合には、ショートカットの影響を大きく受けると考えられ、実際に従来例ではカーボンペーパーを用いた場合よりも、圧力損失のバラツキが増大していた。
【０１０３】
従来例である（表１）の比較例１（燃料極及び空気極ともにカーボンペーパーを用いている。）と比較して、表３に示す様に、本発明のクリアランス部を封止した場合には、カーボンクロスを燃料極及び空気極のどちらに用いても圧力損失のバラツキを低減出来ることが判る。
【０１０４】
以上のような３種類の単電池をそれぞれ５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の端板と締結ロッドで、１０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡ３とセパレータのあたりを確認した結果、ＭＥＡ３にかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ２であった。
【０１０５】
これらの３種類の電池を燃料利用率８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、燃料ガスの加湿を露点７０℃、酸化剤ガス側の加湿を６５℃、酸化剤利用率を２０％から５％刻みで変更していく条件で発電を開始し、各条件で１２ｈｏｕｒの発電の安定性を示した特性を図７に示した。
【０１０６】
その結果、両極にカーボンペーパーを用いた場合、及び燃料極にカーボンペーパー、空気極にカーボンクロスを用いた場合、及び両極にカーボンクロスを用いた場合の全てにおいて、本発明を用いた場合には６５％の酸化剤利用率まで安定した出力電圧が確認された。また、同様に水素側の利用率依存性も結果は同様であった。
【０１０７】
尚、本発明の燃料電池は、実施の形態１では、固体高分子型燃料電池に相当するが、リン酸型燃料電池でも良く、要するに各単電池のクリアランス部を封止することによってガスのショートカットを防ぐことが出来れば良い。
【０１０８】
また、本実施の形態１では、燃料ガス側のクリアランス部及び酸化剤ガス側のクリアランス部をともに封止しているが、燃料ガス側の方がショートカットの影響を大きく受けるため、燃料ガス側のクリアランス部のみを液状シール剤によって封止しても良い。
【０１０９】
また、本発明の燃料ガス側の空間へ、燃料ガス側セパレータのガス供給溝から燃料ガスが通れず、かつ燃料ガス流路溝部へ燃料ガスが供給される状態とは、本実施の形態１では燃料ガス側セパレータ６の燃料ガス供給溝部１２ａからクリアランス部へ燃料ガスが漏れず、燃料ガス流路溝部１２ｂに供給される状態を示している。この場合、クリアランス部９をまたいでいる、燃料ガス供給溝部１２ａが形成されている燃料ガス側セパレータ６の表面部のみを、燃料ガス供給溝部１２ａを埋めないように液状シール剤１１で封止すれば良い。
【０１１０】
また、本発明の燃料ガス側の空間から、燃料ガス側セパレータのガス排出溝へ燃料ガスが通れず、かつ燃料ガス側セパレータのガス流路溝から燃料ガスが排出される状態とは、本実施の形態１では燃料ガス側セパレータ６の燃料ガス排出溝部１２ｃへクリアランス部９から燃料ガスが通らず、燃料ガス出口マニホールド２２へ燃料ガスが排出される状態を示している。この場合、クリアランス部９をまたいでいる、燃料ガス排出溝部１２ｃが形成されている燃料ガス側セパレータ６の表面部のみを、燃料ガス排出溝部１２ｃを埋めないように液状シール剤１１で封止すれば良い。尚、酸化剤ガス側も上記と同様である。
【０１１１】
また、本発明の燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部をガスが通れないように液状シール剤が硬化して形成されている状態とは、本実施の形態１におけるクリアランス部９の断面の一部が硬化した液状シール剤１１によって塞がれている状態を示している。この場合燃料ガスがクリアランス部９を通ってショートカットするのを完全に防ぐことは出来ないが、従来と比較するとショートカット率を低減させることは可能である。尚、酸化剤ガス側においても上記燃料ガス側と同様である。
【０１１２】
また、本発明の液状シール剤が硬化した状態で燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている状態とは、本実施の形態１ではクリアランス部９の一部に液状シール剤１１が硬化した状態で形成されている状態を示している。即ち、実施の形態１の貫通孔８を少なくとも一箇所設けて、そこに液状シール剤１１を注入し、封止する状態を示しており、燃料ガスのショートカットの率は、従来に比べて低減はするが、ショートカットする流路を塞ぐためには、クリアランス部９ａ、クリアランス部９ｂの各々に１箇所ずつ以上封止箇所を設けたほうが好ましい。尚、酸化剤ガス側においても上記燃料ガス側と同様である。
【０１１３】
また、本実施の形態１では、燃料ガス側ガスケット４の断面形状はリップ形状であり、酸化剤ガス側ガスケット５の形状が平形状であったが、燃料ガス側と酸化剤ガス側のガスケットを入れ替えても良い。また、リップ形状でなくとも積層された単電池の締結力が低減できれる形状であれば良い。
【０１１４】
また、本実施の形態１におけるセパレータは、図２及び図３に示したように、片側に燃料ガス流路溝が加工され、反対の面に冷却水流路溝が加工された燃料極用セパレータと、片側に空気流路溝が加工され反対の面に冷却水流路溝が加工された酸化極用セパレータである。これら２つのセパレータでは、積層した際に１つの単電池毎に冷却部を設けることになるため、冷却水流路溝の形成されていないセパレータを更に備えて、複数の単電池毎に冷却水を流す冷却部を設ける構成にしても良い。また、片側に燃料ガス流路溝が加工され、反対の面に空気流路溝が加工されたセパレータを更に備え、３種類のセパレータを適宜組み合わせて、複数の単電池毎に冷却水を流す冷却部を設ける構成にしても良い。
【０１１５】
また、本実施の形態１におけるセパレータは、燃料ガス入口マニホールドの隣に酸化剤ガス入口マニホールドが形成されているが、酸化剤ガス出口マニホールドを形成しても良く、本構成に限定されるものではない。
【０１１６】
また、本実施の形態１におけるガスケットに使用する部材についてはフッ素ゴム以外にも、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、またはそれらの複合材でもかまわない。さらに、粘着剤は、スチレンとエチレンブチレンの共重合体、ポリイソブチレン、エチエンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品でもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明にかかる燃料電池及びその製造方法は、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上が図ることが可能な、または、低コスト化を図ることが可能な効果を有し、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池を構成する単電池の縦断面図
【図２】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス供給溝が形成されている側の燃料ガス側セパレータの平面図（ｂ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の冷却水供給溝が形成されている側の燃料ガス側セパレータの平面図（ｃ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス側セパレータの側面図
【図３】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の酸化剤ガス供給溝が形成されている側の酸化剤ガス側セパレータの平面図（ｂ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の冷却水供給溝が形成されている側の酸化剤ガス側セパレータの平面図（ｃ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の酸化剤ガス側セパレータの側面図
【図４】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス流路溝の平面図
【図５】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス側セパレータに電極を組み合わせた状態を示す平面図
【図６】本発明にかかる実施例１における燃料電池と比較例の燃料電池の出力特性を示した図
【図７】本発明にかかる実施例３における３種類の燃料電池の出力特性を示した図
【符号の説明】
【０１１９】
１ プロトン導電性電解質膜
２ 電極
２ａ 燃料ガス拡散電極
２ｂ 酸化剤ガス拡散電極
３ ＭＥＡ
４ 燃料ガス側ガスケット
５ 酸化剤ガス側ガスケット
６ 燃料ガス側セパレータ
６ａ 燃料ガス側セパレータの燃料ガス流路溝形成面
６ｂ 燃料ガス側セパレータの冷却水流路溝形成面
７ 酸化剤ガス側セパレータ
７ａ 酸化剤ガス側セパレータの酸化剤ガス流路形成面
７ｂ 酸化剤ガス側セパレータの冷却水流路溝形成面
８ 貫通孔
９ クリアランス部
１０ クリアランス部
１１ 液状シール剤
１２ 燃料ガス流路溝
１２ａ 燃料ガス供給溝部
１２ｂ 燃料ガス流路溝部
１３ 酸化剤ガス流路溝
１３ａ 酸化剤ガス供給溝部
１３ｂ 酸化剤ガス流路溝部
１４ 冷却水流路溝
１５ 冷却水流路溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、反応ガスである水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。
【０００３】
その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、反応ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。これをＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。
【０００４】
次に、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これを、ＭＥＳＡ（電極電解質膜シール材接合体）と呼ぶ。ＭＥＳＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータ板と別に設けることも出来るが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
この溝に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のもある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００６】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＳＡとセパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定し、まわりを断熱材で囲むのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
このような固体高分子型の燃料電池におけるガスケットは、セパレータと拡散層との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度か十分な弾性と十分なガスケット締め代が必要であった。
【０００８】
このような理由から、従来のガスケットは樹脂やゴムで出来たシート状の平ガスケットやゴムで出来たＯリング等が用いられていた。
【０００９】
また、最近ではスタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化、低コスト化を行うためガスケットのシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Ｏリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている（例えば、特許文献１、及び２参照。）。
【００１０】
また、Ｏリング形状等ガスケットにある程度の断面積があるものは、ガスケットをセパレータ側に構成した試みも行われている。
【特許文献１】特開平１１−２３３１２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電解質膜を挟んでシールするＯリング形状等のガスケット構成では、Ｏリング部で電解質膜をセパレータに押し付けることでシールを行う。そのため燃料極側ガスシールと酸化極側ガスシールとの二重ガスシール構成が必要でありシール部位が大型化する課題があった。さらにＯリング部が入る溝をセパレータに構成する必要があり、その溝寸法を確保するためセパレータの厚さを薄く出来ない等の制約があった。そのため積層電池での体積の増大やコスト増、複雑なセパレータ形状が必要であるため、セパレータ加工時の歩留まりの悪化原因になっていた。
【００１２】
また、積層電池を組み付ける際、セパレータを下に置きその上にＭＥＳＡあるいはＭＥＡを置き、その上にセパレータあるいはガスケットとセパレータを重ねそれを積み重ねていく工程をとる。その際ＭＥＡの上に置くガスケットあるいはセパレータは組み付け治具のガイドにより組み付けていた。しかし、各部品には寸法誤差があり電極とガスケット、セパレータの組み付け性の観点からガスシール部と電極部の間には作業性あるいは製造の歩留まり性を確保するためのクリアランスが必要であった。
【００１３】
このクリアランスが小さい場合、組み付け時の信頼性が低くシール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電極にシール部が当たり、電池性能の低下や、電極への過大な面圧が働き電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こしていた。
【００１４】
特にガスケットとＭＥＡの間のクリアランスは大きくとらなければ、組み付け性を確保出来なかった。ここで、このガスケットとＭＥＡの間のクリアランスには反応ガスが流れるため、クリアランスを大きくすると、反応ガスがセパレータ流路を流れずにショートカットしてしまう。さらに、このクリアランスはＭＥＡ、ガスケット、組み付け誤差等で各セル毎にばらつき、各セル間の圧力損失ばらつきの原因となっていた。
【００１５】
このように各セル間に圧力損失のばらつきがあった場合、積層電池において各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガス流量にばらつきが生じ、結果電池性能がばらつき、発電電圧低下、耐久性低下、低出力運転時の安定性低下等の弊害があった。これらの症状は反応ガスの利用率が比較的大きい燃料ガス側で顕著であった。
【００１６】
また、それらのクリアランスを低減するためガスケットと電極間のクリアランスを少なくしていった場合、部品寸法の精度向上の必要性があり、歩留まりの低下、部品コストの上昇を招いていた。特に成形セパレータでは組み立て時に利用する位置決め用ガイド部等の加工精度に限界があるため、位置決め用ガイド部の精度向上に限界があり、クリアランスを低減することが困難であった。そのためセパレータを成形後、位置決め用ガイド部分を後加工で追加していた。結果、コスト上昇を招いていた。
【００１７】
また、平形状のガスケットでは、ガスケットの占める体積は低減可能であるものの、上記の組付けに関する課題やクリアランス部の反応ガスのバイパスに関する課題は共通で存在する。
【００１８】
上記従来の課題を考慮し、本発明の目的は、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上を図ることが可能な、又は低コスト化を図ることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、電解質と、前記電解質を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極と、前記燃料ガス又は酸化剤ガスを前記一対のガス拡散電極に供給するためのガス流路溝部とガス供給溝部とガス排出溝部を有するガス流路溝が形成され、前記一対のガス拡散電極を外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータと、前記ガス拡散電極の周囲の、前記電解質と前記一対のセパレータとの間に配設された、前記ガスの気密を保つための一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段とを備え、前記ガス流路溝部は前記一対のセパレータの前記ガス拡散電極に対応する箇所に形成され、前記ガス供給溝部と前記ガス排出溝部は、前記ガス拡散電極に対応する以外の箇所に形成されており、（１）前記燃料ガス側セパレータと前記燃料ガス拡散電極と前記電解質と前記燃料ガス側シール手段とによって囲まれた燃料ガス側の空間へ前記燃料ガス側セパレータのガス供給溝部から前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス流路溝部へ前記燃料ガスが供給されるように、（２）又は前記燃料ガス側の空間から、前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部から前記燃料ガスが排出されるように、（３）又は前記燃料ガス側の空間の、前記燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記燃料ガスが通れないように、液状シール剤が硬化した状態で前記燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている燃料電池である。
【００２０】
又、第２の本発明は、（１）前記酸化剤ガス側セパレータと前記酸化剤ガス拡散電極と前記電解質と前記酸化剤ガス側シール手段とによって囲まれた酸化剤ガス側の空間へ前記酸化剤ガス側セパレータのガス供給溝部から前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガスセパレータのガス流路溝部へ前記酸化剤ガスが供給されるように、（２）又は前記酸化剤ガス側の空間から前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部から前記酸化剤ガスが排出されるように、（３）又は前記酸化剤ガス側の空間の、前記酸化剤ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記酸化剤ガスが通れないように、前記液状シール剤が硬化した状態で前記酸化剤ガス側の空間の少なくとも一部に更に形成されている第１の本発明の燃料電池である。
【００２１】
又、第３の本発明は、前記燃料ガス側の空間は、前記燃料ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される燃料ガス側第１の空間と燃料ガス側第２の空間で構成され、前記燃料ガス側の空間を前記ガスが通れないように前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記燃料ガス側第１の空間と前記燃料ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている第１の本発明の燃料電池である。
【００２２】
又、第４の本発明は、前記酸化剤ガス側の空間は、前記酸化剤ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される酸化剤ガス側第１の空間と酸化剤ガス側第２の空間で構成され、前記酸化剤ガス側の空間を前記ガスが通れないように、前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記酸化剤ガス側第１の空間と前記酸化剤ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている第２の本発明の燃料電池である。
【００２３】
又、第５の本発明は、前記液状シール剤は、オレフィン系シール剤であり、硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・Ｓの範囲である第１の本発明の燃料電池である。
【００２４】
又、第６の本発明は、前記オレフィン系シール剤は、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０である第５の本発明の燃料電池である。
【００２５】
又、第７の本発明は、前記オレフィン系シール剤は、ブチルゴムを含んでいる第５の本発明の燃料電池である。
【００２６】
又、第８の本発明は、前記燃料側、及び／又は酸化剤ガス側の拡散層は、カーボンクロスを主成分としている第１の本発明の燃料電池である。
【００２７】
又、第９の本発明は、第１〜８のいずれかの本発明の燃料電池を製造する方法において、前記電解質に前記ガス拡散電極を接合し、電極／電解質接合体を作成する工程と、前記シール手段を前記セパレータに圧着する工程と、前記電極／電解質接合体と前記セパレータを組み付ける工程と、前記セパレータに設けられた、前記空間に連通した貫通孔から前記液状シール剤を注入する工程とを備えた燃料電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上を図ることが可能な、又は低コスト化を図ることが可能な燃料電池及び製造方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の燃料電池の一実施例である、本実施の形態１における固体高分子型燃料電池の構成について以下に説明する。
【００３１】
図１は、本実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の縦断面図である。本実施の形態１における固体高分子型燃料電池は、複数の積層された単電池１６を備えている。この単電池１６は、水素イオンを選択的に輸送する、本発明の電解質の一例であるプロトン伝導性高分子電解質膜１を備えている。このプロトン伝導性高分子電解質膜１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層が形成されている。
【００３２】
また、この触媒反応層の外面に、反応ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層が形成されており、この拡散層と触媒反応層とを合わせてガス拡散電極２とする。このガス拡散電極２は、プロトン伝導性高分子電解質膜１の両面に形成されており一方が燃料ガス拡散電極２ａであり、他方が酸化剤ガス拡散電極２ｂである。これら、プロトン伝導性高分子電解質膜１と燃料ガス拡散電極２ａと酸化剤ガス拡散電極２ｂを合わせて、ＭＥＡ３（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。
【００３３】
また、この一対のガス拡散電極２の周囲には、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合しないように、プロトン伝導性高分子電解質膜１を挟んで、本発明の燃料ガス側シール手段の一例である燃料ガス側ガスケット４と本発明の酸化剤ガス側シール手段の一例である酸化剤ガス側ガスケット５が設置されている。これら燃料ガス側ガスケット４及び酸化剤ガス側ガスケット５は、ガス拡散電極２及びプロトン伝導性高分子電解質膜１と一体化して予め組み立てられており、これをＭＥＳＡ（電極電解質膜シール材接合体）と呼ぶ。
【００３４】
このＭＥＳＡを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側セパレータ７が、ＭＥＡ３を外側から挟むように配設されている。この燃料ガス側セパレータ６には、ＭＥＡ３と接触する部分である電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガス等を運び去るための燃料ガス流路溝１２が形成されている。また、その反対面には冷却するための冷却水を流すための冷却水流路溝１４が形成されている。燃料ガス側セパレータと同様に、酸化剤ガス側セパレータ７にも酸化剤ガス流路溝１３が形成されており、その反対面に冷却水流路溝１５が形成されている。
【００３５】
ここで、組み立てる際に燃料ガス拡散電極２ａと接触しないように、燃料ガス側ガスケット４は設置されている。このため、プロトン伝導性高分子電解質膜１と燃料ガス側セパレータ６と燃料ガス拡散電極２ａと燃料ガス側ガスケット４の間に、本発明の燃料ガス側の空間の一例であるクリアランス部９が形成される。尚、酸化剤ガス側にも上記と同様に、本発明の酸化剤ガス側の空間の一例であるクリアランス部１０が形成される。
【００３６】
また、燃料ガス側セパレータ６には、燃料ガス流路溝１２の形成面から反対面まで、クリアランス部９に開口部を有する貫通孔８が設けられている。同様に、酸化剤ガス側セパレータ７にも、そのクリアランス部１０に開口部を有する貫通孔８が設けられている。これらクリアランス部９、１０には、液状シール剤１１が硬化した状態で充填されている。
【００３７】
この燃料ガス側ガスケット４のプロトン伝導性高分子電解質膜１と接触する部分は、図１に示す様にリップ形状をしている。また、酸化剤ガス側ガスケット５は、プロトン伝導性高分子電解質膜１と接触する側は、平形状をしている。
【００３８】
次に、セパレータの構造について以下に詳しく述べる。
【００３９】
図２（ａ）は燃料ガス流路溝１２が形成された側の燃料ガス側セパレータ６の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の反対の面である冷却水流路溝１４が形成された側の燃料ガス側セパレータ６の平面図である。図２（ｃ）は、燃料ガス側セパレータ６の側面図である。
【００４０】
また、図３（ａ）は、酸化剤ガス流路溝１３が形成された側の酸化剤ガス側セパレータ７の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の反対面である冷却水流路溝１５が形成された側の酸化剤ガス側セパレータ７の平面図である。図３（ｃ）は、酸化剤ガス側セパレータ７の側面図である。
【００４１】
図２、３に示す様に、燃料ガス側セパレータ６及び、酸化剤ガス側セパレータ７には、その周囲に燃料ガスを供給し、その残存ガス等を排出するための燃料ガス入口マニホールド２１と燃料ガス出口マニホールド２２が開設されている。さらに、酸化剤ガス入口マニホールド２３及び酸化剤ガス出口マニホールド２４と、冷却水入口マニホールド２５及び冷却水出口マニホールド２６も各セパレータの周囲に開設されている。
【００４２】
これら各出入口マニホールドに囲まれた部分に、各流路溝が形成されている。燃料ガス側セパレータ６には、片面に燃料ガス流路溝１２が、反対面には冷却水流路溝１４が形成されている。また、酸化剤ガス側セパレータ７には、片面に酸化剤ガス流路溝１３が、反対面には冷却水流路溝１５が形成されている。
【００４３】
ここで、流路溝について、燃料ガス流路溝１２を例に挙げて説明をする。図４は、燃料ガス流路溝１２の平面図である。図４に示す様に、燃料ガス流路溝１２は、複数本の平行な溝によって構成されている。また、燃料ガス流路溝１２は、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス流路溝１２へ燃料ガスを導く、燃料ガス供給溝部１２ａと、燃料ガス拡散電極２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝部１２ｂと、本発明の燃料ガス流路溝１２から燃料ガス出口マニホールド２２へと残存ガス等を導く、燃料ガス排出溝部１２ｃとを有している。この燃料ガス流路溝部１２ｂは、この形成面を上面から見ると実質上正方形状になっている。
【００４４】
また、酸化剤ガス流路溝１３も上記と同様に、酸化剤ガス供給溝部１３ａと、酸化剤ガス流路溝部１３ｂと、酸化剤ガス排出溝部１３ｃとを有している。又、冷却水流路溝１４、１５は冷却水入口マニホールド２５と冷却水出口マニホールド２６に繋がっている。
【００４５】
これらの各マニホールドの位置は、この燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側セパレータ７を組み立てた際に、一致するように開設されている。
【００４６】
また、図１において説明した様に、燃料ガス側セパレータ６及び酸化剤ガス側セパレータ７には、燃料ガス流路溝部１２ｂ及び酸化剤ガス流路溝部１３ｂの周囲近傍に貫通孔８が８箇所設けられている。これらの貫通孔８が設けられている場所は、燃料ガス流路溝部１２ｂ及び酸化剤ガス流路溝部１３ｂ流路溝が形成されている部分である正方形状の各頂点の周囲４箇所と各辺の中心の周囲４箇所である。
【００４７】
また、燃料ガス流路溝１２が形成されている燃料ガス側セパレータ６の平面６ａ上に、各マニホールドと、貫通孔８も含めて燃料ガス流路溝部１２ｂが形成されている部分とを囲うように燃料ガス側ガスケットライン２７が形成されている。この燃料ガス側ガスケットライン２７には、燃料ガス側ガスケット４が取り付けられている。燃料ガス側セパレータ６と同様に、酸化剤ガス流路溝１３が形成されている酸化剤ガス側セパレータの平面７ａにも酸化剤ガス側ガスケットライン２８が形成されており、酸化剤ガス側ガスケット５が取り付けられている。
【００４８】
また、冷却水流路溝１５が形成されている酸化剤ガス側セパレータの平面７ｂにも、上記と同様に冷却水用ガスケットライン２９が形成されており、ガスケットが取り付けられている。尚、この面は単電池の積層時に、図１（ｂ）に示す、ガスケットを有していない燃料ガス側セパレータの冷却水流路溝１４の形成面６ｂに対面する。尚、図２及び図３に示されている燃料ガス側セパレータ６及び酸化剤ガス側セパレータ７を単電池に組んだ際のＡＡ´における断面図が図１である。
【００４９】
次に、クリアランス部９、１０について詳しく述べる。
【００５０】
図５は、燃料ガス側セパレータ６に燃料ガス拡散電極２ａ（拡散層と触媒反応層）を設置した状態の平面図である。図２（ａ）と比較すると明らかなように、燃料ガス流路溝部１２ｂが形成されている部分に対応して燃料ガス拡散電極２ａが設置されている。単電池１６を組み立てる際に、燃料ガス拡散電極２ａとガスケットライン２７の間がクリアランス部９を形成し、貫通孔８の開口部を有している。
【００５１】
また、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス出口マニホールド２２へクリアランス部９を介して燃料ガスがショートカットする経路は、燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガス供給溝部１２ａ方向をみて（図５における矢印Ｓ方向）、右方向への経路と、左方向への経路の２つの経路がある。この右側の経路は、図５では、燃料ガス流路溝１２を基準とする左側の空間であるクリアランス部９ａに相当し、左側の経路は、右側の空間であるクリアランス部９ｂに相当する。
【００５２】
尚、本発明の燃料ガス側第１の空間と第２の空間は、本実施の形態１におけるクリアランス部９ａ及び９ｂに相当する。また、図５では、クリアランス部９ａを左下がりの斜線、クリアランス部９ｂを右下がりの斜線で示している。
【００５３】
尚、酸化剤ガス側も同様にクリアランス部１０は、２つの空間で構成され、それらの２つの空間は、本発明の酸化剤ガス側第１の空間と第２の空間に相当する。
【００５４】
また、図１と図５に示される様に、燃料ガス供給溝部１２ａと燃料ガス排出溝部１２ｃはクリアランス部９をまたいでおり、溝が形成されている面上に燃料ガス側ガスケット４が設置されている。酸化剤ガス側も同様に、酸化剤ガス供給溝部１３ａと酸化剤ガス排出溝部１３ｃがクリアランス部１０をまたいでいる。
【００５５】
本実施の形態１の固体高分子型燃料電池は、１０〜２００セル積層された上記構成の単電池１６を備えており、その両端に集電板と絶縁板が配置されている。この絶縁板の外側には、積層された単電池と集電板と絶縁板を固定するための端板と締結ボルトが配設されており、これらは断熱材によって囲まれている（図示せず）。
【００５６】
上記構成の本実施の形態１における固体高分子型燃料電池の製造方法について以下に述べる。
【００５７】
始めに、アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものとパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末を混合したものを、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布を主成分とする拡散層の一方の面に塗布乾燥しガス拡散電極２を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２となるよう調整した。
【００５８】
次に、これらのガス拡散電極２は、正極・負極共に同一構成とし、ガス拡散電極２より大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜１の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）３を作成した。
【００５９】
ここでは、プロトン伝導性高分子電解質膜１として、パーフルオロカーボンスルホン酸を１７５μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。このプロトン伝導性高分子電解質膜１のサイズは後述するセパレータサイズと同じ大きさとし、プロトン伝導性高分子電解質膜１には燃料ガス用、冷却水用、酸化剤ガス用入口及び出口マニホールドに対応した大きさの穴を打ち抜き型により加工した。
【００６０】
次に、気密等方性黒鉛板に機械加工によりガス流路、及びマニホールドを形成した。燃料ガス側セパレータ６は、片側に燃料ガス流路溝１２と燃料ガス側ガスケットライン２７を加工し、反対の面に冷却水流路溝１４を加工した。また、酸化剤ガス側セパレータ７は、片側に酸化剤ガス流路溝１３と酸化剤ガス側ガスケットライン２８を加工し、反対の面に冷却水流路溝１５及び冷却水用ガスケットライン２９を加工した。これらのセパレータの厚さは３ｍｍ、板状部分の両側に形成された流路は３ｍｍピッチ（溝幅１．５ｍｍ）の溝形状から構成される形状とした。
【００６１】
これら流路部の周辺には酸化剤ガス用マニホールド、燃料ガス用マニホールド、冷却水用マニホールドを入口用、出口用合計２個づつ設けた。また、それぞれのセパレータの流路部の周辺には、組み立て後の液状シールを封入するための貫通孔８を８箇所形成した。
【００６２】
次に、酸化剤ガス側ガスケット５の材料として、片側に２５ミクロンのブチルゴム粘着剤のついた、厚さ１００ミクロンのポリイミドフィルム上に１２５ミクロンのフッ素ゴムを成形したものを作成した。続いて、そのガスケット材料にマニホールド、締結用ボルト穴、電極に対応する部位を抜き型で抜いてガスケットを作製した。電極に対応する箇所の寸法は、電極部とのクリアランスが片側で１ｍｍとなるように作製した。
【００６３】
また、燃料ガス側ガスケット４の材料として、片側に２５ミクロンのブチルゴム粘着剤のついた、厚さ１００ミクロンのポリイミドフィルムの上に、幅が３ｍｍ、厚さ１２５ミクロンのフッ素ゴム層を設けたものを作成した。さらに、その上に電極からの距離１ｍｍのところから垂直方向に半径２．５ｍｍの曲率で開き角度３５°、電極側に凸な断面形状を有するリップ状シール部材を電極を囲む位置にフッ素ゴムにて形成した。それ以外の箇所は厚さ１２５ミクロンのゴム層の幅３ｍｍの中心部に同様な断面形状を持つリップ状シール部材を形成した。
【００６４】
その後フッ素ゴムが成形されたポリイミドフィルムに、マニホールド、締結用ボルト穴、電極に対応する部位を抜き型で抜いてガスケットを作製した。電極に対応する箇所の寸法は上述した電極部とのクリアランスからあらかじめマーキングし作製した。ポリイミドフィルムへのフッ素ゴムの成形は、金型にポリイミドフィルムをセットし金型を締め、温度２００℃、射出圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ２でフッ素ゴムを成型し、二次架橋は２００℃、１０ｈｏｕｒで行った。その後、ブチルゴム粘着面をポリイミドフィルムに転写接合し粘着面にはポリプロピレン製の離型フィルムでカバーを行った。
【００６５】
次に、上記のように製作した各ガスケットを対応する各セパレータにセットし、ホットプレスによりガスケットとセパレータの圧着を行った。このとき温度は１００℃、プレス荷重は２０００ｋｇｆ、加圧時間は１ｍｉｎであった。断面がリップ形状ガスケットをホットプレスする際は、リップ部をプレスでつぶさないよう治具を用いて作業を行った。
【００６６】
次に、燃料ガス側ガスケット４を接合した燃料ガス側セパレータ６と酸化剤ガス側ガスケット５を接合した酸化剤ガス側セパレータ７によって、電極面積１００ｃｍ２のＭＥＡ３を挟み、単位電池を構成した。単電池の積層毎に冷却水用ガスケット又はＯリングを介し冷却水を流す冷却部を設けた。
【００６７】
その組み立て手順を詳しく説明する。始めに、ガイドピンを立てた組み立て用治具を置き、その上に平形状ガスケットが付いた酸化剤ガス側セパレータ７を置く。
【００６８】
次に、ＭＥＡ３をガイドピンにそってセットする。その際ＭＥＡ３の酸化剤ガス拡散電極２ｂ（ガス拡散層と触媒反応層を合わせたもの）と酸化剤ガス側ガスケット５が干渉しないように積層する必要がある。ここで、ＭＥＡ３は組み立てる環境の湿度により大きく寸法が変化するため、酸化剤ガス側ガスケット５と酸化剤ガス拡散電極２ｂのクリアランスは大きくとる必要がある。ＭＥＡ３を安定的に組み付けるにはこのクリアランスは１ｍｍ以上必要であった。
【００６９】
次に、ＭＥＡ３をセットした後に、燃料ガス側セパレータ６を組み付ける。セパレータは不透明であるため、ＭＥＡ３の燃料ガス拡散電極２ａとガスケットが接する様を目視出来ないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行った。
【００７０】
次に、上記の様に組み立てた単電池１６において、あらかじめ作製しておいた、燃料ガス側セパレータ６に設けられたクリアランス部９に開口部を有する貫通孔８と、酸化剤ガス側セパレータ７に設けられたクリアランス部１０に開口部を有する貫通孔８とから液状シール剤１１を封入し、図１に示す様にクリアランス部９、１０を封止した。
【００７１】
ここで、液状シール剤１１としてはスリ−ボンド製ＴＢ１１５２やＴＢ１１５３が使用可能であるが、その他にもブチルゴム系が主成分であり、硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・ｓの範囲であり、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０の範囲の液状シール剤であれば使用可能である。
【００７２】
なお、硬化前の粘度が、４００Ｐａ・Ｓである液状シール剤を用いて上記と同様に貫通孔８から注入を行った後、単電池を分解し封止されているかの確認を行った。しかし、粘性が低いためにクリアランス部９、１０に沿って液状シール剤は流れていき、貫通孔８の周囲にて硬化しなかった。また、硬化前の粘度が、３０００Ｐａ・Ｓである液状シール剤を用いて貫通孔８から注入を行ったが、粘性が高すぎるため注入出来なかった。
【００７３】
次に、上記の様に作成した単電池１６を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層する。続いて、集電板と絶縁板を介し端板で積層された複数の単電池１６を挟み、締結ボルトで両端から固定する。最後に、固定された複数個の単電池１６と集電板と絶縁板のまわりを断熱材で囲む。
【００７４】
以上の構成及び製造方法の本実施の形態１における高分子電解質型燃料電池の動作について以下に述べる。
【００７５】
積層された単電池１６の燃料ガス入口マニホールド２１から燃料ガスを、酸化剤ガス入口マニホールド２３から、本発明の酸化剤ガスの一例である空気を各単電池１６に供給する。各単電池１６に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路溝１２を通り、燃料ガス拡散電極２ａに供給される。また酸化剤ガスも同様に酸化剤ガス拡散電極２ｂに供給される。
【００７６】
ここで、燃料ガス側を例に挙げて説明する。本実施の形態１では、クリアランス部９の一部を液状シール剤１１が硬化した状態で塞いでいるため、燃料ガス供給溝部１２ａからクリアランス部９を通って燃料ガス排出溝部１２ｃまで燃料ガスはショートカットすることが出来ない。そのため、燃料ガスは、クリアランス部９を通らずに、燃料ガス流路溝部１２ｂへと供給される。また、酸化剤ガス側も同様である。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスが電極に供給されることで、電気化学的反応を起こし電気と熱が発生する。
【００７７】
上述した様に、供給されたガスが入口から出口へ、クリアランス部９、１０を通ることを防ぐことにより安定した発電の可能な固体高分子型燃料電池を提供することが出来る。
【００７８】
また、クリアランス部９、１０を小さくする必要がないため、部品の精度向上を抑えることが出来、又、位置決め用ガイド部分を後加工で追加する必要がないため、製造時のコストの低減を図ることが可能である。
【００７９】
また、一対のガスケットの一方をリップ形状にしたことにより、より小さい締結力で良くなり、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、又は低コスト化を図ることが可能である。
【００８０】
尚、ガスケットの形態としてＯ−リングを用いたシール方式に比較し、本実施の形態１はＯ−リングシール溝の必要性がないため、その分セパレータ厚さを薄くし、積層電池をコンパクトに出来ることは言うまでもない。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例にて更に詳しく本発明の燃料電池について述べる。
【００８２】
（実施例１）
上記実施の形態１の固体高分子型燃料電池を構成する単電池を１０個用意し、単電池の状態で圧力損失を測定した結果を表１に示す。
【００８３】
この圧力損失測定方法としては、まず、酸化剤ガス入口マニホールド２３に２Ｌ／ｍｉｎの流量の空気を流し、酸化剤ガス出口マニホールド２４を大気開放の状態で入り口部の圧力を測定した。次に、酸化剤ガス側を開放し、燃料ガス入口マニホールド２１に０．５Ｌ／ｍｉｎのヘリウムを流し、出口を大気開放状態での入り口側の圧力を測定した。表１には、単電池の圧力損失の平均値とバラツキ範囲を示した。
【００８４】
（比較例１）
また、比較例として、実施例１の単電池の各セパレータに貫通孔を設けず、クリアランス部に液状シール剤による封止を行っていない単電池を用いた。また、組み立て方法も実施例１の単電池と同様の方法である。この比較例１の単電池の圧力損失値を実施例１と同様の方法を用いて測定した。実施例１の結果とともに表１に併記する。
【００８５】
【表１】
表１より、本実施例１の評価結果では、クリアランス部をガスが流れるショートカットが防止されているために、空気側、燃料側の圧力損失が比較例と比較して、高くなっていることが判る。また、比較例１では、ＭＥＡ３とガスケット４、５の位置がずれることによってクリアランスの大きさが変化し、ショートカットするガス量が増減するために、単電池間の圧力損失のバラツキが大きいが、本実施例ではショートカットが減少することによって、バラツキ幅も減少していることが判る。
【００８６】
（実施例２）
また、実施例１に用いた単電池の液状シール剤１１による封止箇所を変更し、実施例１と同様の方法で圧力損失値を測定した結果を表２に示す。
【００８７】
ここで、液状シール剤１１による封止箇所が２箇所の場合は、クリアランス部９ａとクリアランス部９ｂに開口部を有する貫通孔８を一箇所づつ設けて、そこに液状シール剤１１による封止を行う。これにより、ガスがクリアランス部９ａ及びクリアランス部９ｂを通るショートカット経路を遮断することが出来る。具体的には本実施例１では、図５において矢印Ｓ方向からみて、燃料ガス供給溝部１２ａの左近傍のクリアランス部９ｂに一箇所（図５における貫通孔８ａ）、燃料ガス排出溝部１２ｃの右近傍のクリアランス部９ａに一箇所（図５における貫通孔８ｂ）、貫通孔８を設けた。また、酸化剤ガス側も同様の構成とした。
【００８８】
また、封止箇所が４箇所の場合は、ガス流路溝が形成されている部分である正方形状の辺の中心４箇所に対応する箇所に封止を行う。尚、頂点４箇所に対応する箇所に封止を行っても良い。
【００８９】
また、封止箇所が８箇所の場合は、正方形状の頂点４箇所と辺４箇所に対応する場所に封止を行う。
【００９０】
また、封止箇所が１２箇所の場合は、８箇所の封止の場合に比べて、８箇所の場合の封止箇所の頂点と辺の中心の間に一箇所づつ、４箇所増やした箇所に封止を行う。このとき、クリアランス部９ａとクリアランス部９ｂのそれぞれに２箇所づつ振り分けられる。尚、酸化剤ガス側のクリアランス部１０ａと１０ｂも同様の構成とした。
【００９１】
【表２】
表２より、封止箇所は２箇所以上で効果があり、１２箇所以上では飽和することが判る。
【００９２】
（実施例３）
実施例１における単電池を５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の端板と締結ロッドで、１０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡ３とセパレータのあたりを確認した結果、ＭＥＡ３にかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ２であった。
【００９３】
この電池を燃料利用率８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、燃料ガスの加湿を露点７０℃、酸化剤ガス側の加湿を６５℃、酸化剤利用率を２０％から５％刻みで変更していく条件で発電を開始し、各条件で１２ｈｒの発電の安定性を示した特性を図６に示した。
【００９４】
（比較例２）
また、比較例１における単電池を実施例３と同様に積層し、実施例３と同じ条件で１２ｈｏｕｒにおける発電の安定性を測定した。その結果を実施例３とともに図６に示した。
【００９５】
図６に示す様に、比較例２の積層電池は酸化剤利用率が４０％以上の条件で出力電圧が不安定となり、５０％の酸化剤利用率では出力電圧の低下が確認された。それに対し本実施例の電池は６５％の酸化剤利用率まで安定した出力電圧が確認された。また、同様に水素側の利用率依存性も測定したが、結果は同様であった。
【００９６】
このことから比較例２における単電池を構成する酸化剤側のガス拡散電極とガスケットクリアランスでは、ガス拡散層とガスケットの間のクリアランスに反応ガスがバイパスし電池性能を維持するに必要な量の反応ガスを電極部へ供給出来ていないことが確認された。それに対して本実施例３では、ガス拡散電極とガスケットとのクリアランスを流れるバイパス流を低減し、電池性能の低下を防止することが可能であることが確認された。
【００９７】
（実施例４）
次に、本実施例ではＭＥＡ３に用いたＧＤＬ（ガス拡散層）の種類を変更したときの、本発明の効果を検証する。
【００９８】
ＧＤＬの種類としては、カーボンペーパーとカーボンクロスを用い、燃料ガス側、酸化剤ガス側に組み合わせた。
【００９９】
すなわち、両極にカーボンペーパーを用いた場合、及び燃料ガス側にカーボンペーパー、酸化剤ガス側にカーボンクロスを用いた場合、及び両極にカーボンクロスを用いた場合の３種類の単電池を用意した。
【０１００】
ここで、カーボンペーパーとしては、東レ製ＴＧＰＨ０６０を用いた、またカーボンクロスとしては日本カーボン製ＧＦ−２０−Ｅを用いた。
【０１０１】
これら３種類の単電池の圧力損失値を実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表３に示す。
【０１０２】
【表３】
一般的に、カーボンクロスはカーボンペーパーに対して形状安定性が悪く、端部のほつれなどによってクリアランス部の形状が安定しない傾向にある。一方、カーボンクロスはカーボンペーパーに比較して柔らかいために、セパレータによって締結された際に、セパレータの流路部にカーボンクロスが垂れ込むために、圧力損失が４０％程度上昇することが知られている。このため、カーボンクロスを用いた場合には、ショートカットの影響を大きく受けると考えられ、実際に従来例ではカーボンペーパーを用いた場合よりも、圧力損失のバラツキが増大していた。
【０１０３】
従来例である（表１）の比較例１（燃料極及び空気極ともにカーボンペーパーを用いている。）と比較して、表３に示す様に、本発明のクリアランス部を封止した場合には、カーボンクロスを燃料極及び空気極のどちらに用いても圧力損失のバラツキを低減出来ることが判る。
【０１０４】
以上のような３種類の単電池をそれぞれ５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の端板と締結ロッドで、１０００ｋｇｆの締結荷重で締結した。このとき感圧紙でＭＥＡ３とセパレータのあたりを確認した結果、ＭＥＡ３にかかる面圧は１０ｋｇｆ／ｃｍ２であった。
【０１０５】
これらの３種類の電池を燃料利用率８０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、燃料ガスの加湿を露点７０℃、酸化剤ガス側の加湿を６５℃、酸化剤利用率を２０％から５％刻みで変更していく条件で発電を開始し、各条件で１２ｈｏｕｒの発電の安定性を示した特性を図７に示した。
【０１０６】
その結果、両極にカーボンペーパーを用いた場合、及び燃料極にカーボンペーパー、空気極にカーボンクロスを用いた場合、及び両極にカーボンクロスを用いた場合の全てにおいて、本発明を用いた場合には６５％の酸化剤利用率まで安定した出力電圧が確認された。また、同様に水素側の利用率依存性も結果は同様であった。
【０１０７】
尚、本発明の燃料電池は、実施の形態１では、固体高分子型燃料電池に相当するが、リン酸型燃料電池でも良く、要するに各単電池のクリアランス部を封止することによってガスのショートカットを防ぐことが出来れば良い。
【０１０８】
また、本実施の形態１では、燃料ガス側のクリアランス部及び酸化剤ガス側のクリアランス部をともに封止しているが、燃料ガス側の方がショートカットの影響を大きく受けるため、燃料ガス側のクリアランス部のみを液状シール剤によって封止しても良い。
【０１０９】
また、本発明の燃料ガス側の空間へ、燃料ガス側セパレータのガス供給溝から燃料ガスが通れず、かつ燃料ガス流路溝部へ燃料ガスが供給される状態とは、本実施の形態１では燃料ガス側セパレータ６の燃料ガス供給溝部１２ａからクリアランス部へ燃料ガスが漏れず、燃料ガス流路溝部１２ｂに供給される状態を示している。この場合、クリアランス部９をまたいでいる、燃料ガス供給溝部１２ａが形成されている燃料ガス側セパレータ６の表面部のみを、燃料ガス供給溝部１２ａを埋めないように液状シール剤１１で封止すれば良い。
【０１１０】
また、本発明の燃料ガス側の空間から、燃料ガス側セパレータのガス排出溝へ燃料ガスが通れず、かつ燃料ガス側セパレータのガス流路溝から燃料ガスが排出される状態とは、本実施の形態１では燃料ガス側セパレータ６の燃料ガス排出溝部１２ｃへクリアランス部９から燃料ガスが通らず、燃料ガス出口マニホールド２２へ燃料ガスが排出される状態を示している。この場合、クリアランス部９をまたいでいる、燃料ガス排出溝部１２ｃが形成されている燃料ガス側セパレータ６の表面部のみを、燃料ガス排出溝部１２ｃを埋めないように液状シール剤１１で封止すれば良い。尚、酸化剤ガス側も上記と同様である。
【０１１１】
また、本発明の燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部をガスが通れないように液状シール剤が硬化して形成されている状態とは、本実施の形態１におけるクリアランス部９の断面の一部が硬化した液状シール剤１１によって塞がれている状態を示している。この場合燃料ガスがクリアランス部９を通ってショートカットするのを完全に防ぐことは出来ないが、従来と比較するとショートカット率を低減させることは可能である。尚、酸化剤ガス側においても上記燃料ガス側と同様である。
【０１１２】
また、本発明の液状シール剤が硬化した状態で燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている状態とは、本実施の形態１ではクリアランス部９の一部に液状シール剤１１が硬化した状態で形成されている状態を示している。即ち、実施の形態１の貫通孔８を少なくとも一箇所設けて、そこに液状シール剤１１を注入し、封止する状態を示しており、燃料ガスのショートカットの率は、従来に比べて低減はするが、ショートカットする流路を塞ぐためには、クリアランス部９ａ、クリアランス部９ｂの各々に１箇所ずつ以上封止箇所を設けたほうが好ましい。尚、酸化剤ガス側においても上記燃料ガス側と同様である。
【０１１３】
また、本実施の形態１では、燃料ガス側ガスケット４の断面形状はリップ形状であり、酸化剤ガス側ガスケット５の形状が平形状であったが、燃料ガス側と酸化剤ガス側のガスケットを入れ替えても良い。また、リップ形状でなくとも積層された単電池の締結力が低減できれる形状であれば良い。
【０１１４】
また、本実施の形態１におけるセパレータは、図２及び図３に示したように、片側に燃料ガス流路溝が加工され、反対の面に冷却水流路溝が加工された燃料極用セパレータと、片側に空気流路溝が加工され反対の面に冷却水流路溝が加工された酸化極用セパレータである。これら２つのセパレータでは、積層した際に１つの単電池毎に冷却部を設けることになるため、冷却水流路溝の形成されていないセパレータを更に備えて、複数の単電池毎に冷却水を流す冷却部を設ける構成にしても良い。また、片側に燃料ガス流路溝が加工され、反対の面に空気流路溝が加工されたセパレータを更に備え、３種類のセパレータを適宜組み合わせて、複数の単電池毎に冷却水を流す冷却部を設ける構成にしても良い。
【０１１５】
また、本実施の形態１におけるセパレータは、燃料ガス入口マニホールドの隣に酸化剤ガス入口マニホールドが形成されているが、酸化剤ガス出口マニホールドを形成しても良く、本構成に限定されるものではない。
【０１１６】
また、本実施の形態１におけるガスケットに使用する部材についてはフッ素ゴム以外にも、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、またはそれらの複合材でもかまわない。さらに、粘着剤は、スチレンとエチレンブチレンの共重合体、ポリイソブチレン、エチエンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品でもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明にかかる燃料電池及びその製造方法は、ショートカット流を防止出来、容易に単電池間の圧力損失バラツキを低減出来、燃料電池の安定性の向上が図ることが可能な、または、低コスト化を図ることが可能な効果を有し、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池を構成する単電池の縦断面図
【図２】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス供給溝が形成されている側の燃料ガス側セパレータの平面図（ｂ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の冷却水供給溝が形成されている側の燃料ガス側セパレータの平面図（ｃ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス側セパレータの側面図
【図３】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の酸化剤ガス供給溝が形成されている側の酸化剤ガス側セパレータの平面図（ｂ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の冷却水供給溝が形成されている側の酸化剤ガス側セパレータの平面図（ｃ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の酸化剤ガス側セパレータの側面図
【図４】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス流路溝の平面図
【図５】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の燃料ガス側セパレータに電極を組み合わせた状態を示す平面図
【図６】本発明にかかる実施例１における燃料電池と比較例の燃料電池の出力特性を示した図
【図７】本発明にかかる実施例３における３種類の燃料電池の出力特性を示した図
【符号の説明】
【０１１９】
１ プロトン導電性電解質膜
２ 電極
２ａ 燃料ガス拡散電極
２ｂ 酸化剤ガス拡散電極
３ ＭＥＡ
４ 燃料ガス側ガスケット
５ 酸化剤ガス側ガスケット
６ 燃料ガス側セパレータ
６ａ 燃料ガス側セパレータの燃料ガス流路溝形成面
６ｂ 燃料ガス側セパレータの冷却水流路溝形成面
７ 酸化剤ガス側セパレータ
７ａ 酸化剤ガス側セパレータの酸化剤ガス流路形成面
７ｂ 酸化剤ガス側セパレータの冷却水流路溝形成面
８ 貫通孔
９ クリアランス部
１０ クリアランス部
１１ 液状シール剤
１２ 燃料ガス流路溝
１２ａ 燃料ガス供給溝部
１２ｂ 燃料ガス流路溝部
１３ 酸化剤ガス流路溝
１３ａ 酸化剤ガス供給溝部
１３ｂ 酸化剤ガス流路溝部
１４ 冷却水流路溝
１５ 冷却水流路溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極と、
前記燃料ガス又は酸化剤ガスを前記一対のガス拡散電極に供給するためのガス流路溝部とガス供給溝部とガス排出溝部を有するガス流路溝が形成され、前記一対のガス拡散電極を外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータと、
前記ガス拡散電極の周囲の、前記電解質と前記一対のセパレータとの間に配設された、前記ガスの気密を保つための一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段とを備え、
前記ガス流路溝部は前記一対のセパレータの前記ガス拡散電極に対応する箇所に形成され、前記ガス供給溝部と前記ガス排出溝部は、前記ガス拡散電極に対応する以外の箇所に形成されており、
（１）前記燃料ガス側セパレータと前記燃料ガス拡散電極と前記電解質と前記燃料ガス側シール手段とによって囲まれた燃料ガス側の空間へ前記燃料ガス側セパレータのガス供給溝部から前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス流路溝部へ前記燃料ガスが供給されるように、
（２）又は前記燃料ガス側の空間から、前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部から前記燃料ガスが排出されるように、
（３）又は前記燃料ガス側の空間の、前記燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記燃料ガスが通れないように、
液状シール剤が硬化した状態で前記燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている燃料電池。
【請求項２】
（１）前記酸化剤ガス側セパレータと前記酸化剤ガス拡散電極と前記電解質と前記酸化剤ガス側シール手段とによって囲まれた酸化剤ガス側の空間へ前記酸化剤ガス側セパレータのガス供給溝部から前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガスセパレータのガス流路溝部へ前記酸化剤ガスが供給されるように、
（２）又は前記酸化剤ガス側の空間から前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部から前記酸化剤ガスが排出されるように、
（３）又は前記酸化剤ガス側の空間の、前記酸化剤ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記酸化剤ガスが通れないように、
前記液状シール剤が硬化した状態で前記酸化剤ガス側の空間の少なくとも一部に更に形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス側の空間は、前記燃料ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される燃料ガス側第１の空間と燃料ガス側第２の空間で構成され、
前記燃料ガス側の空間を前記ガスが通れないように前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記燃料ガス側第１の空間と前記燃料ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸化剤ガス側の空間は、前記酸化剤ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される酸化剤ガス側第１の空間と酸化剤ガス側第２の空間で構成され、
前記酸化剤ガス側の空間を前記ガスが通れないように、前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記酸化剤ガス側第１の空間と前記酸化剤ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記液状シール剤は、オレフィン系シール剤であり、
硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・Ｓの範囲である請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記オレフィン系シール剤は、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０である請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記オレフィン系シール剤は、ブチルゴムを含んでいる請求項５記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料側、及び／又は酸化剤ガス側の拡散層は、カーボンクロスを主成分としている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池を製造する方法において、
前記電解質に前記ガス拡散電極を接合し、電極／電解質接合体を作成する工程と、
前記シール手段を前記セパレータに圧着する工程と、
前記電極／電解質接合体と前記セパレータを組み付ける工程と、
前記セパレータに設けられた、前記空間に連通した貫通孔から前記液状シール剤を注入する工程とを備えた燃料電池の製造方法。
【請求項１】
電解質と、
前記電解質を挟み込むように配設された一対の燃料ガス及び酸化剤ガス拡散電極と、
前記燃料ガス又は酸化剤ガスを前記一対のガス拡散電極に供給するためのガス流路溝部とガス供給溝部とガス排出溝部を有するガス流路溝が形成され、前記一対のガス拡散電極を外側から挟み込むように配設された一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側セパレータと、
前記ガス拡散電極の周囲の、前記電解質と前記一対のセパレータとの間に配設された、前記ガスの気密を保つための一対の燃料ガス側及び酸化剤ガス側シール手段とを備え、
前記ガス流路溝部は前記一対のセパレータの前記ガス拡散電極に対応する箇所に形成され、前記ガス供給溝部と前記ガス排出溝部は、前記ガス拡散電極に対応する以外の箇所に形成されており、
（１）前記燃料ガス側セパレータと前記燃料ガス拡散電極と前記電解質と前記燃料ガス側シール手段とによって囲まれた燃料ガス側の空間へ前記燃料ガス側セパレータのガス供給溝部から前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス流路溝部へ前記燃料ガスが供給されるように、
（２）又は前記燃料ガス側の空間から、前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記燃料ガスが通れず、かつ前記燃料ガス側セパレータのガス排出溝部から前記燃料ガスが排出されるように、
（３）又は前記燃料ガス側の空間の、前記燃料ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記燃料ガスが通れないように、
液状シール剤が硬化した状態で前記燃料ガス側の空間の少なくとも一部に形成されている燃料電池。
【請求項２】
（１）前記酸化剤ガス側セパレータと前記酸化剤ガス拡散電極と前記電解質と前記酸化剤ガス側シール手段とによって囲まれた酸化剤ガス側の空間へ前記酸化剤ガス側セパレータのガス供給溝部から前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガスセパレータのガス流路溝部へ前記酸化剤ガスが供給されるように、
（２）又は前記酸化剤ガス側の空間から前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部へ前記酸化剤ガスが通れず、かつ前記酸化剤ガス側セパレータのガス排出溝部から前記酸化剤ガスが排出されるように、
（３）又は前記酸化剤ガス側の空間の、前記酸化剤ガスが通った場合の流通方向に対する断面の少なくとも一部を前記酸化剤ガスが通れないように、
前記液状シール剤が硬化した状態で前記酸化剤ガス側の空間の少なくとも一部に更に形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス側の空間は、前記燃料ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される燃料ガス側第１の空間と燃料ガス側第２の空間で構成され、
前記燃料ガス側の空間を前記ガスが通れないように前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記燃料ガス側第１の空間と前記燃料ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸化剤ガス側の空間は、前記酸化剤ガス側セパレータに形成された前記ガス流路溝を基準として形成される酸化剤ガス側第１の空間と酸化剤ガス側第２の空間で構成され、
前記酸化剤ガス側の空間を前記ガスが通れないように、前記空間を塞ぐための液状シール剤は、前記酸化剤ガス側第１の空間と前記酸化剤ガス側第２の空間の少なくとも各々一箇所ずつに形成されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記液状シール剤は、オレフィン系シール剤であり、
硬化前の粘度が５００〜２０００Ｐａ・Ｓの範囲である請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記オレフィン系シール剤は、硬化後の硬さがＡ３０〜Ａ６０である請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記オレフィン系シール剤は、ブチルゴムを含んでいる請求項５記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料側、及び／又は酸化剤ガス側の拡散層は、カーボンクロスを主成分としている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池を製造する方法において、
前記電解質に前記ガス拡散電極を接合し、電極／電解質接合体を作成する工程と、
前記シール手段を前記セパレータに圧着する工程と、
前記電極／電解質接合体と前記セパレータを組み付ける工程と、
前記セパレータに設けられた、前記空間に連通した貫通孔から前記液状シール剤を注入する工程とを備えた燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００５−１７４８７５（Ｐ２００５−１７４８７５Ａ）
【公開日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００３−４１６９７３（Ｐ２００３−４１６９７３）
【出願日】平成１５年１２月１５日（２００３．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１２月１５日（２００３．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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