JP2017091632A

JP2017091632A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2017091632A
Application number: JP2015216311A
Authority: JP
Inventors: 光生吉村; Mitsuo Yoshimura; 聡司大谷; Satoshi Otani; 安本　栄一; Eiichi Yasumoto; 栄一安本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】冷却媒体を安定供給可能なセパレータ及び安定発電が可能な燃料電池。
【解決手段】カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７が接触する主面１２ａにおいて、冷却媒体供給マニホールド６、冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０との間の土手部分が、第１冷却媒体ガスケット１０よりも第２冷却媒体ガスケット１１の反力が大きく設定されているため、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７の主面１２ｄが押し付けられ密着状態となり、冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間において、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド６から冷却媒体流路溝９を通って冷却媒体排出マニホールド７に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、冷却媒体を通流するための冷却媒体マニホールド及び冷却媒体流路が形成されたセパレータで構成された燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池では、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配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体を有する。

上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。

また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電解質膜−電極接合体の間に配置される。電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。

一般的に、セルを複数積層して燃料電池スタックとすることで、必要な電力を確保することが可能となる。

セパレータには、電解質膜−電極接合体に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体などの流体を供給するための流路溝と、流体を供給または排出するためのマニホールドが形成される。

従来のセパレータの構成として、セパレータと当接する電解質膜−電極接合体の発電領域である電極部とほぼ同じ範囲である内周部分に反応ガス流路溝、または冷却媒体流路溝を形成し、その外周部分にガスマニホールド及び冷却媒体マニホールドを形成する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照)。

図１４は、特許文献１に記載された従来のカソードセパレータの冷却面の基本構成図を示すものである。また図１５は、従来のカソードセパレータを用いたセルを２つ組み合わせた状態を図１４のＩ−Ｉで断面した部分断面図である。

図１４に示すように、従来のカソードセパレータ２０１は、反応ガス供給マニホールド２０２と、反応ガス排出マニホールド２０３と、冷却媒体供給マニホールド２０４と、冷却媒体排出マニホールド２０５と、電極部２０６と、冷却媒体流路溝２０７と、ガスケット２０８と、外周部分２０９（２点鎖線外側）と、内周部分２１０（２点鎖線内側）と、から構成される。

外周部分２０９には、反応ガス供給マニホールド２０２と、反応ガス排出マニホールド２０３と、冷却媒体供給マニホールド２０４と、冷却媒体排出マニホールド２０５が形成され、内周部分２１０には、電極部２０６を冷却するために、冷却媒体流路溝２０７が形成されている。また、ガスケット２０８が、これらの構成を囲うように配置されている。

また、図１５に示すように、従来のカソードセパレータ２０１を用いたセル２５０は、枠体２１３に支持された電解質膜−電極接合体２１２と、電解質膜−電極接合体２１２と接触する面に反応ガス流路溝２１１が形成されたカソードセパレータ２０１とアノードセ
パレータ２１５とで、積層されて構成されている。

また、カソードセパレータ２０１の電解質膜−電極接合体２１２と接触する面の反対側には、冷却面があり、冷却面の電極部２０６には、冷却媒体流路溝２０７が形成されている。また、アノードセパレータ２１５と枠体２１３には、冷却媒体供給マニホールド２０４及び冷却媒体排出マニホールド２０５が設けられている。

また、冷却媒体供給マニホールド２０４と冷却媒体排出マニホールド２０５を囲うように、ガスケット２０８が、アノードセパレータ２１５と枠体２１３の間と、枠体２１３とカソードセパレータ２０１の間に配置されている。

特開２０１５−１１５１４９号公報

特許文献１の構成では、燃料電池スタックはセル２５０を複数積層して締結した状態で構成されるため、電極部２０６の接触抵抗を低減することと、ガスケット２０８のシール性を確保するために、電極部２０６とガスケット２０８に適切な荷重をかけることが重要となる。

図１６は、従来のカソードセパレータを用いたセルを、積層して締結した状態を図１４のＩ−Ｉで断面した部分断面図である。図１７は、従来のカソードセパレータを用いたセルを積層して締結した状態の図１６のＪ部拡大図である。

図１６に示すように、従来のカソードセパレータを用いたセル２５０を積層して構成された燃料電池スタックは性能確保のため、電極部２０６に大きな荷重をかけるため、電極部等必要なところ以外はあえて当てない設計としている。そのため部品同士には隙間があり、内周部分２１０より外周部分２０９が反りやすくなる。

図１７に示すように、内周部分２１０より外周部分２０９が反りやすくなるため、冷却媒体供給マニホールド２０４及びガスケット２０８の間において、カソードセパレータ２０１及びアノードセパレータ２１５との間に隙間２１４が発生するという問題があった。

また、外周部分２０９の反り形状を矯正するために、外周部分２０９にかける荷重を大きくした場合には、カソードセパレータ２０１及びセパレータ２１５が破損する可能性がある。

したがって、冷却媒体供給マニホールド２０４から冷却媒体流路溝２０７に、所定量の冷却媒体を供給できなくなり、電極部２０６が十分に冷却されず発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、前記電極の両外側に配置される一対のセパレータと、で構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であっ
て、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、前記積層方向に貫通し前記冷却媒体流路と連通する冷却マニホールドと、前記冷却媒体流路及び前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記冷却面上に配置された環状の第１冷却媒体ガスケットと、を有し、前記一方のセパレータのうちの前記第１冷却媒体ガスケットと前記冷却媒体マニホールドとの間の部分が、前記他のセパレータに接触するよう構成されているのである。

こうすることにより、一方のセパレータと隣接する他のセパレータの間で、平面部が密着状態となるため、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドと冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の冷却媒体ガスケットとの間において、一方のセパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生することを防止することができる。

さらに、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝に、冷却媒体を安定して供給できるようになるため、発電時に電極部が高温となることを防止することができる。

本発明の燃料電池は、簡単な構成で、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドと冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の冷却媒体ガスケットの間の平面部において、セパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池セルを提供することができる。

さらに、この燃料電池セルを用いることで、発電時に電極部が高温となることを防止し、安定した発電性能を確保することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池における２つのセルを組み合わせた状態の斜視図本発明の実施の形態１の燃料電池における図１のセルをＡから見たカソードセパレータの冷却面の基本構成図本発明の実施の形態１の燃料電池における図２のカソードセパレータを裏側から見たカソード電極面の基本構成図本発明の実施の形態１の燃料電池における図１のセルをＢから見たアノードセパレータの冷却面の基本構成図本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを組み合わせた状態を図２のＣ−Ｃで断面した部分断面図本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態を図２のＣ−Ｃで断面した部分断面図本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図６のＥ部拡大図本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態で図２のＤ−Ｄで断面した部分断面図本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図８のＦ部拡大図本発明の実施の形態２の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図本発明の実施の形態２の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図１０のＧ−Ｇで断面した部分断面図本発明の実施の形態３の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図本発明の実施の形態３の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図１２のＨ−Ｈで断面した部分断面図従来の燃料電池のカソードセパレータの冷却面の基本構成図従来の燃料電池のカソードセパレータを用いたセルを組み合わせた状態を図１４のＩ−Ｉで断面した部分断面図従来の燃料電池のカソードセパレータを用いたセルを、積層して締結した状態を図１４のＩ−Ｉで断面した部分断面図従来の燃料電池のカソードセパレータを用いたセルを、積層して締結した状態の図１６のＪ部拡大図

第１の発明は、電解質膜と、電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、電極の両外側に配置される一対のセパレータとで構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であって、一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され、冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、積層方向に貫通し冷却媒体流路と連通する冷却媒体マニホールドと、冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の第１冷却媒体ガスケットとを有し、一方のセパレータのうちの第１冷却媒体ガスケットと冷却媒体マニホールドとの間の部分が、他のセパレータに接触するよう構成された燃料電池である。

上記構成により、冷却媒体マニホールドと第１冷却媒体ガスケットの間の平面部において、セパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生しないため、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池セルを提供することができる。さらに、この燃料電池セルを用いることで、発電時に電極部が高温となることを防止し、安定した発電性能を確保することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの電極側の面上に配置された環状の第２冷却媒体ガスケットが、第１冷却媒体ガスケットのうちの冷却媒体マニホールドを囲む部分より反力が大きくなるよう構成されるものである。

上記構成により、冷却媒体マニホールドと第１冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体マニホールドを囲む土手部分が、セパレータと隣接する他のセパレータとの間に隙間が発生しないため、冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に冷却媒体を安定して供給することができる。

第３の発明は、特に第２の発明において、一方のセパレータが、積層方向に貫通し反応ガスを通流するためのガスマニホールドを有し、電極及びガスマニホールドを囲むようにセパレータの電極側の面上に配置された、環状の第２反応ガスガスケットを備え、第２反応ガスガスケットのうちの少なくとも電極を囲む部分が、第１冷却媒体ガスケットの反力より大きくなるよう構成されるものである。

上記構成により、冷却媒体マニホールドと第１冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体流路と第１冷却媒体ガスケットの間の平面部と隣接する他のセパレータの間に隙間が発生しないため、冷却媒体流路内に冷却媒体を安定して流すことができる。

第４の発明は、特に第１の発明において、一方のセパレータが、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールド間を結ぶ線を含む部分が、冷却面側の面に凸状に変形した状態で
締結するように構成されたものである。

上記構成により、冷却媒体マニホールドと第１冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体マニホールドを囲む土手部分が、セパレータと隣接する他のセパレータと積極的に接触し、隙間が発生しないため、冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に冷却媒体を安定して供給することができる。

第５の発明は、特に第１の発明において、一方のセパレータが、冷却側の面の電極部分が凹状に変形し、冷却媒体マニホールド部周辺が出た状態で締結するように構成されたものである。

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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池における２つのセルを組み合わせた状態の斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池における図１のセルをＡから見たカソードセパレータの冷却面の基本構成図を示すものである。図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池における図２のカソードセパレータを裏側から見たカソード電極面の基本構成図を示すものである。

図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池における図１のセルをＢから見たアノードセパレータの冷却面の基本構成図である。図５は、本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを組み合わせた状態を図２のＣ−Ｃで断面した部分断面図である。図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態を図２のＣ−Ｃで断面した部分断面図である。

図７は、本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図６のＥ部拡大図である。図８は、本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態で図２のＤ−Ｄで断面した部分断面図である。図９は、本発明の実施の形態１の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図８のＦ部拡大図である。

図１において、セル５０は、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７を用いて枠体３６を挟持している。

図２において、カソードセパレータ１には、カソードセパレータ１の外周部分１６に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド２及び酸化剤ガス排出マニホールド３と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド４及び燃料ガス排出マニホールド５と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド６と、冷却媒体排出マニホールド７が形成されている。

また、カソードセパレータ１の内周部分１７（２点鎖線内側部分）に、隣接部材と電気的に接続される電極部８と、冷却媒体供給マニホールド６及び冷却媒体排出マニホールド７と連通し、電極部８全体に広がるサーペンタイン形状の冷却媒体流路溝９が形成されている。

また、環状の第１冷却媒体ガスケット１０が、冷却媒体供給マニホールド６と、冷却媒体排出マニホールド７と、電極部８と、冷却媒体流路溝９を囲うように配置され、冷却媒体供給マニホールド６、冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間には、当接する主面１２ａが設けられている。

さらに、環状のガスケット１８が、酸化剤ガス供給マニホールド２と、酸化剤ガス排出マニホールド３と、燃料ガス供給マニホールド４と、燃料ガス排出マニホールド５を囲うように配置されている。

図３において、カソードセパレータ１には、カソードセパレータ１の外周部分１６に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド２及び酸化剤ガス排出マニホールド３と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド４及び燃料ガス排出マニホールド５と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド６と、冷却媒体排出マニホールド７が形成されている。

また、カソードセパレータ１の内周部分１７（２点鎖線内側部分）に、隣接部材と電気的に接続される電極部８と、酸化剤ガス供給マニホールド２及び酸化剤ガス排出マニホールド３と連通し、電極部８全体に広がるサーペンタイン形状の酸化剤ガス流路溝４０が形成されている。

また、環状の第２反応ガスガスケット１４が、酸化剤ガス供給マニホールド２と、酸化剤ガス排出マニホールド３と、電極部８と、酸化剤ガス流路溝４０を囲うように配置されている。さらに環状の第２冷却媒体ガスケット１１が、冷却媒体供給マニホールド６と、冷却媒体排出マニホールド７を囲うように配置されている。

図４において、アノードセパレータ３７には、アノードセパレータ３７の外周部分１６に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド２及び酸化剤ガス排出マニホールド３と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド４及び燃料ガス排出マニホールド５と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド６と、冷却媒体排出マニホールド７が形成されている。

また、ここでは図示しないが、アノードセパレータ３７の内周部分１７（２点鎖線内側部分）に、隣接部材と電気的に接続される電極部８を含む平面部があり、冷却媒体供給マニホールド６及び冷却媒体排出マニホールド７と連通し、電極部８全体に広がるカソードセパレータ側に形成されたサーペンタイン形状の冷却媒体流路溝のリブ部と当接することで冷却媒体流路が形成される。

図５において、セル５０とカソードセパレータ１は、組み合わせられ締結圧力をかける直前の状態である。

セル５０は、電解質膜３１と、電解質膜３１を挟んで片面にアノード３２と、もう一方の面にカソード３３を有する電解質膜−電極接合体３５と、さらに、電解質膜−電極接合体３５の外両脇にガス拡散層３４が配置され、また、アノード３２の方にはアノードセパレータ３７が配置され、カソード３３の方にはカソードセパレータ１が配置され、また、ガス拡散層３４と電解質膜−電極接合体３５を支持する枠体３６とで、構成される。

アノードセパレータ３７のガス拡散層３４と接触する主面１２ｃには、燃料ガス流路溝３８が形成されており、カソードセパレータ１のガス拡散層３４と接触する主面１２ｂには、酸化剤ガス流路溝４０が形成されている。また、カソードセパレータ１のアノードセ
パレータ３７と接触する主面１２ａには、冷却媒体流路溝９が形成されており、図２と同じ構成である。

また、冷却媒体供給マニホールド６及び冷却媒体排出マニホールド７が、カソードセパレータ１と、アノードセパレータ３７と、枠体３６に設けられている。

また、冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を囲うように、第１冷却媒体ガスケット１０より反力が大きい第２冷却媒体ガスケット１１と、環状の第２反応ガスガスケット１４が、電極部８の外側にありアノードセパレータ３７と枠体３６の間と、枠体３６とカソードセパレータ１の間に配置されている。

また、第１冷却媒体ガスケット１０は、締結時に過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止するため、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７と接触する主面１２ａから段差を設けられたガスケット配置面１３ａに配置されているため、空間１５ができる。

同様に、カソードセパレータ１とガス拡散層３４が接触する主面１２ｂから段差を設けられたガスケット配置面１３ｂと、アノードセパレータ３７とガス拡散層３４が接触する主面１２ｃから段差を設けられたガスケット配置面１３ｃにも配置されている。

また、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７が接触する主面１２ｄは、冷却媒体供給マニホールド６冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間で締結後隙間なく密着するように構成されている。

カソードセパレータ１は、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。

第１冷却媒体ガスケット１０、第２冷却媒体ガスケット１１、第２反応ガスガスケット１４は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。

また、電解質膜３１は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜である。本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（米国DuPont社製のNafion（登録商標））を用いる。

また、アノード３２は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、カソード３３は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。

また、ガス拡散層３４は、導電性及び撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を分散させて構成された部材を用いる。

枠体３６は、適度な機械的強度と耐熱性、優れた耐薬品性を有する樹脂部材である。本実施の形態では、変性ポリフェニレンエーテルで形成された部材を用いる。

図６において、複数積層されて締結されたセル５０は、電極部８の接触抵抗を低減するために、電極部８に大きな荷重をかけるように、内周部分１７と外周部分１６で締結荷重
を変えて組み立てられている。

図７において、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７が接触する主面１２ｄは、内周部分１７より変形しやすい外周部分１６においても、第１冷却媒体ガスケット１０よりも反力が大きい枠体３６とカソードセパレータ１の間と枠体３６とアノードセパレータ３７の間にある第２冷却媒体ガスケット１１と第２反応ガスガスケット１４により冷却媒体供給マニホールド６と第１冷却媒体ガスケット１０の間が積極的に押し当てられ、冷却媒体流路溝９から空間１５につながる隙間がなくなり密着されている。

図８において、複数積層されて締結されたセル５０は、電極部８の接触抵抗を低減するために、電極部８に大きな荷重をかけるように、内周部分１７と外周部分１６で締結荷重を変えて組み立てられている。

図９において、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７が接触する主面１２ｄは、内周部分１７より変形しやすい外周部分１６においても、第１冷却媒体ガスケット１０よりも反力が大きい枠体３６とカソードセパレータ１の間と枠体３６とアノードセパレータ３７の間にある第２反応ガスガスケット１４により積極的に押し当てられ、冷却媒体流路溝９から空間１５につながる隙間がなくなり密着されている。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池のセル５０について、以下その動作、作用を説明する。

まず、セル５０を複数積層させた状態から荷重をかけていく過程で、内周部分１７の締結荷重が大きいため先に締まり始める。

このとき第１冷却媒体ガスケット１０や第２冷却媒体ガスケット１１、第２反応ガスガスケット１４の反力で反発しあうため外周部分１６が変形するが、第１冷却媒体ガスケット１０よりも第２冷却媒体ガスケット１１、第２反応ガスガスケット１４の反力が大きいためカソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７の主面１２ｄが互いに当たる方向に変形する。

セル５０が複数積層されて締結された状態では、ガスケット配置面１３ａに配置された第１冷却媒体ガスケット１０は、カソードセパレータ１及びアノードセパレータ３７と接触して圧縮されており、同様に、ガスケット配置面１３ｂに配置された第２冷却媒体ガスケット１１は、カソードセパレータ１及び枠体３６と接触して圧縮されており、ガスケット配置面１３ｃに配置された第２冷却媒体ガスケット１１は、アノードセパレータ３７及び枠体３６と接触して圧縮されているため、シール性を確保し、さらに、第１冷却媒体ガスケット１０及び第２冷却媒体ガスケット１１からの過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止することができる。

また、カソードセパレータ１の外周部分１６よりも内周部分１７には大きな荷重がかかり、外周部分１６が内周部分１７よりも反り易い状態であるが、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７が接触する主面１２ａにおいて、冷却媒体供給マニホールド６、冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０との間の土手部分が、第１冷却媒体ガスケット１０よりも第２冷却媒体ガスケット１１の反力が大きく設定されているため、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７の主面１２ｄが押し付けられ密着状態となり、冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間において、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド６から冷却媒体流路溝９を通って冷却媒体排出マニホールド７に、冷却媒体を安定して供給することが可能
となる。

なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。カソードセパレータ１、アノードセパレータ３７どちらかに一体とすることもできる。ガスケットの反力を大きくする方法としては、ガスケットの断面積を大きくしているが、ガスケットが同一断面形状の場合、ガスケット配置面と主面と段差を変えることで圧縮率を大きく設定することでも可能である。

また、カソードセパレータが端に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ３７の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。

また、冷却媒体流路溝９の形状をサーペンタイン形状としたが、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、カソードセパレータ１には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。

また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。

また、電解質膜３１には、水素イオン伝導性を有する、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜を用いたが、これ以外にも、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。

アノード３２及びカソード３３には、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いたが、これ以外にも、アノード３２は、導電性を有し、且つ水素の酸化反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができ、カソード３３は導電性を有し、且つ酸素の還元反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができる。

また、ガス拡散層３４には、ＰＴＦＥを分散させて構成された部材を用いたが、これ以外にも、導電性基材としては、カーボン微粉末、カーボンクロスなどを使用することができる。

また、撥水性高分子樹脂としては、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）などを使用することができる。

また、枠体３６には、変性ポリフェニレンエーテルを用いたが、これ以外にも、ポリフェニレンサルファイドやエポキシ等を用いることができる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図１１は、本発明の実施の形態２の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図１０のＧ−Ｇで断面した部分断面図である。図１〜９と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１０において、カソードセパレータ１は、図中の太い破線で囲まれている冷却媒体供
給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を結ぶ線を含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられている。

図１１において、セル５０とカソードセパレータ１は、組み合わせられ締結圧力をかける直前の状態である。

アノードセパレータ３７のガス拡散層３４と接触する主面１２ｃには、燃料ガス流路溝３８が形成されており、カソードセパレータ１のガス拡散層３４と接触する主面１２ｂには、酸化剤ガス流路溝４０が形成されている。

また、カソードセパレータ１のアノードセパレータ３７と接触する主面１２ａには、冷却媒体流路溝９が形成されている。また、冷却媒体供給マニホールド６及び冷却媒体排出マニホールド７が、カソードセパレータ１と、アノードセパレータ３７と、枠体３６に設けられている。

また、冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を囲うように、第２冷却媒体ガスケット１１と、環状の第２反応ガスガスケット１４が、電極部８の外側にあり、アノードセパレータ３７と枠体３６の間と、枠体３６とカソードセパレータ１の間に配置されている。

また、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７が接触する主面１２ｄは、冷却媒体供給マニホールド６冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間が締結後隙間なく密着するように構成されている。

以上のように構成されたセル５０について、以下その動作、作用を説明する。

セル５０を複数重ねて締結する過程において、カソードセパレータ１が、図１０の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を結ぶ線を含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられた状態であるため、図１１のアノードセパレータ３７の主面１２ｄとカソードセパレータ１の主面１２ａは、凸になっている範囲が先に接触する。

電極部８には大きな荷重をかけるため、内周部分１７と外周部分１６で締結荷重を変えて組み立てられる。荷重の大きい内周部分１７は接触する面積が広いため電極部８は平面に矯正され、荷重の小さい外周部分１６の図１０の太い破線で囲まれている冷却媒体供給
マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を結ぶ線を含む範囲は、図１１のアノードセパレータ３７の主面１２ｄと積極的に接触する。

すなわち冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケット１０の間において、カソードセパレータ１とアノードセパレータ３７との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド６から冷却媒体流路溝９を通って冷却媒体排出マニホールド７に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。

なお、本実施の形態では、カソードセパレータ１を変形させているが、アノードセパレータ３７を同様に変形させることもできる。

（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図１３は、本発明の実施の形態３の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図１２のＨ−Ｈで断面した部分断面図である。図１〜９と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１２において、カソードセパレータ１は、図中の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７をそれぞれ含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられている。

図１３において、セル５０は、電解質膜３１と、電解質膜３１を挟んで片面にアノード３２と、もう一方の面にカソード３３を有する電解質膜−電極接合体３５と、さらに、電解質膜−電極接合体３５の外両脇にガス拡散層３４が配置され、また、アノード３２の方にはアノードセパレータ３７が配置され、カソード３３の方にはカソードセパレータ１が配置され、また、ガス拡散層３４と電解質膜−電極接合体３５を支持する枠体３６とで、構成される。

アノードセパレータ３７のガス拡散層３４と接触する主面１２ｃには、燃料ガス流路溝３８が形成されており、カソードセパレータ１のガス拡散層３４と接触する主面１２ｂには、酸化剤ガス流路溝４０が形成されている。また、カソードセパレータ１のアノードセパレータ３７と接触する主面１２ａには、冷却媒体流路溝９が形成されている。

また、冷却媒体供給マニホールド６及び冷却媒体排出マニホールド７が、カソードセパレータ１と、アノードセパレータ３７と、枠体３６に設けられている。また、冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７を囲うように、第２冷却媒体ガスケット１１と、環状の第２反応ガスガスケット１４が、電極部８の外側にあり、アノードセパレータ３７と枠体３６の間と、枠体３６とカソードセパレータ１の間に配置されている。

また、カソードセパレータ１の主面１２ａとアノードセパレータ３７が接触する主面１２ｄは、冷却媒体供給マニホールド６冷却媒体排出マニホールド７と第１冷却媒体ガスケ
ット１０の間が締結後隙間なく密着するように構成されている。

セル５０を複数重ねて締結する過程において、カソードセパレータ１が、図１２の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７をそれぞれ含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられた状態であるため、図１３のアノードセパレータ３７の主面１２ｄとカソードセパレータ１の主面１２ａは、凸になっている範囲が先に接触する。

電極部８には大きな荷重をかけるために、内周部分１７と外周部分１６で締結荷重を変えて組み立てられる。荷重の大きい内周部分１７は接触する面積が広いため電極部８は平面に矯正され、荷重の小さい外周部分１６の特に図１２の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド６と冷却媒体排出マニホールド７近傍は、図１３のアノードセパレータ３７の主面１２ｄとカソードセパレータ１の主面１２ａが、接触したまま当接する。

以上のように、本発明にかかる燃料電池は、冷却媒体の安定供給が可能であり、また、安定した発電性能の確保が可能であるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。

１カソードセパレータ
２酸化剤ガス供給マニホールド
３酸化剤ガス排出マニホールド
４燃料ガス供給マニホールド
５燃料ガス排出マニホールド
６冷却媒体供給マニホールド
７冷却媒体排出マニホールド
８電極部
９冷却媒体流路溝
１０第１冷却媒体ガスケット
１１第２冷却媒体ガスケット
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ主面
１３ａ、１３ｂ、１３ｃガスケット配置面
１４第２反応ガスガスケット
１５空間
１６外周部分
１７内周部分
１８ガスケット
３１電解質膜
３２アノード
３３カソード
３４ガス拡散層
３５電解質膜−電極接合体
３６枠体
３７アノードセパレータ
３８燃料ガス流路溝
４０酸化剤ガス流路溝
５０セル

Claims

電解質膜と、前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、前記電極の両外側に配置される一対のセパレータと、で構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であって、
前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、前記積層方向に貫通し前記冷却媒体流路と連通する冷却マニホールドと、前記冷却媒体流路及び前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記冷却面上に配置された環状の第１冷却媒体ガスケットと、を有し、
前記一方のセパレータのうちの前記第１冷却媒体ガスケットと前記冷却媒体マニホールドとの間の部分が、前記他のセパレータに接触するよう構成された、燃料電池。
前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記電極側の面上に配置された環状の第２冷却媒体ガスケットは、前記第１冷却媒体ガスケットのうちの前記冷却媒体マニホールドを囲む部分より反力が大きくなるよう構成された、請求項１に記載の燃料電池。
前記一方のセパレータは、前記積層方向に貫通し反応ガスを通流するためのガスマニホールドを有し、前記電極及び前記ガスマニホールドを囲むように前記セパレータの前記電極側の面上に配置された、環状の第２反応ガスガスケットを備え、
前記第２反応ガスガスケットのうちの少なくとも前記電極を囲む部分が、前記第１冷却媒体ガスケットの反力より大きくなるよう構成された、請求項２に記載の燃料電池。
前記一方のセパレータは、前記冷却媒体を供給排出する前記冷却媒体マニホールド間を結ぶ線を含む部分が、前記冷却面側の面に凸状に変形した状態で締結するように構成された、請求項１に記載の燃料電池。
前記一方のセパレータは、前記冷却側の面の前記電極部分が凹状に変形し、前記冷却媒体マニホールド部周辺が出た状態で締結するように構成された、請求項１に記載の燃料電池。