特許 5780640 燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5780640

(24)【登録日】2015年7月24日

(45)【発行日】2015年9月16日

(54)【発明の名称】燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20060101AFI20150827BHJP

   H01M 8/10 20060101ALI20150827BHJP

   H01M 8/02 20060101ALI20150827BHJP

   H01M 8/04 20060101ALI20150827BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 E

   H01M8/10

   H01M8/02 S

   H01M8/02 B

   H01M8/02 R

   H01M8/04 Z

   H01M8/24 T

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2011-146285(P2011-146285)

(22)【出願日】2011年6月30日

(65)【公開番号】特開2013-16263(P2013-16263A)

(43)【公開日】2013年1月24日

【審査請求日】2014年3月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】597103023

【氏名又は名称】株式会社 ケミックス

(73)【特許権者】

【識別番号】506209422

【氏名又は名称】地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター

(74)【代理人】

【識別番号】100101856

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 日出夫

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 元彦

(72)【発明者】

【氏名】峯 英一

(72)【発明者】

【氏名】菊池 有加

(72)【発明者】

【氏名】小野澤 明良

(72)【発明者】

【氏名】上野 博志

【審査官】 松本 陶子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２５９５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３２２５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１８５１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２１１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３５７８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８７５４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体高分子電解質膜部材と、
固体高分子電解質膜部材の一方の面の上に配置された第１シート状電極部材と、
前記第１シート状電極部材の上に配置され、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成されたエンボス加工による凸部とを有する酸化剤ガス極用セパレータ部材と、
前記酸化剤ガス極用セパレータ部材の上に配置された酸化剤ガス極用プレート部材と、
前記固体高分子電解質膜部材の他方の面の下に配置された第２シート状電極部材と、
前記第２シート状電極部材の下に配置され、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成されたエンボス加工による凸部とを有する燃料ガス極用セパレータ部材と、
前記燃料ガス極用セパレータ部材の下に配置され、前記第２シート状電極部材に導入される燃料ガスをシールする燃料ガス極用ガスケット部材と、
前記燃料ガス極用ガスケット部材の下に配置された燃料ガス極用プレート部材と、
前記固体高分子電解質膜部材、前記第１シート状電極部材、前記第２シート状電極部材、前記酸化剤ガス極用セパレータ部材、前記燃料ガス極用セパレータ部材及び前記燃料ガス極用ガスケット部材によってセルを構成するように、前記酸化剤ガス極用プレート部材と前記燃料ガス極用プレート部材との間にそれらを挟持させるネジ締め組立部材と
を有する燃料電池。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池において、
前記第１シート状電極部材及び前記第２シート状電極部材は、拡散層付き電極部材及び該拡散層付き電極部材が配置される電極用開口を有するガスケット部材からなり、
前記酸化剤ガス極用セパレータ部材及び前記燃料ガス極用セパレータ部材は、前記電極用開口を有するガスケット部材側の面に前記凸部を有する燃料電池。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池において、
前記燃料ガス極用プレート部材には、一方の面から他方の面に前記燃料ガスを供給する第１燃料ガス流路と、供給された前記燃料ガスを排出する第２燃料ガス流路とが、前記一方の面から突出して設けられ、
前記燃料ガス極用ガスケット部材には、前記第１燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用プレート部材と接する面から前記燃料ガス極用セパレータ部材と接する面に貫通する第３燃料ガス流路と、前記第２燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用プレート部材と接する面から前記燃料ガス極用セパレータ部材と接する面に貫通する第４燃料ガス流路とが設けられ、
前記燃料ガス極用セパレータ部材には、前記第３燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用ガスケット部材と接する面から前記第２シート状電極部材と接する面に貫通する第５燃料ガス流路と、前記第４燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用ガスケット部材と接する面から前記第２シート状電極部材と接する面に貫通する第６燃料ガス流路とが設けられるとともに、前記第２シート状電極部材と接する面には前記第５燃料ガス流路から供給される前記燃料ガスを前記第２シート状電極部材の表面に沿って流し、前記第６燃料ガス流路に排出させる溝である燃料ガス分散路が形成され、
前記第１燃料ガス流路と前記第３燃料ガス流路との接続部分、前記第３燃料ガス流路と前記第５燃料ガス流路との接続部分、前記第２燃料ガス流路と前記第４燃料ガス流路との接続部分、及び前記第４燃料ガス流路と前記第６燃料ガス流路との接続部分は、前記燃料ガス極用ガスケット部材でシールされている燃料電池。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池において、
前記燃料ガス極用セパレータ部材は、前記第２シート状電極部材と接する面であって、前記燃料ガス分散路が形成されていない部分に前記凸部を有する燃料電池。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の燃料ガス供給ラインに、燃料ガスを加湿するとともに燃料ガスの気流を検知する気流検知器を配置した燃料電池駆動システム。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池を構成する部材を有する燃料電池組み立てキット。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料電池組み立てキットにおいて、
更に、前記燃料電池の燃料ガス供給ラインに、燃料ガスを加湿するとともに燃料ガスの気流を検知する気流検知器を有する燃料電池組み立てキット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学的な反応を利用した固体高分子形の燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキットに関し、特に教材や初期的研究に用いるための燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の固体高分子形燃料電池は、ガス拡散性で電子伝導率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配置した単電池と、一面に酸化剤ガス流路が設けられ、他面に燃料ガス流路が設けられたガス流路セパレータとを交互に積層した積層体から構成されている。（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−２５９５４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の燃料電池は、燃料電池の分解及び組み立てを繰り返すと各部品が各々の接触部で破損してしまい、出力電圧等において当初の性能を発揮することができない場合がある。特に、燃料電池に導入される燃料ガスのシール部材が破損する場合には、燃料ガスがリークして電極に燃料ガスを十分に導入することができなくなり、著しく性能が劣化してしまう。また、部品数が多いと燃料電池の分解及び組み立てを繰り返す際に部品を損失したり装着し忘れることもある。

【0005】

本発明の目的は、必要な部品数を少なくして組み立て及び分解を容易にするとともに、良好な出力電圧を有する燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキットを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は鋭意研究の結果、セパレータに所望の処理を施すとともに、Ｏリングを用いずに燃料電池を構成することにより上述の目的を達し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0007】

（１） 本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜部材と、固体高分子電解質膜部材の一方の面の上に配置された第１シート状電極部材と、前記第１シート状電極部材の上に配置され、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成された凸部とを有する酸化剤ガス極用セパレータ部材と、前記酸化剤ガス極用セパレータ部材の上に配置された酸化剤ガス極用プレート部材と、前記固体高分子電解質膜部材の他方の面の下に配置された第２シート状電極部材と、前記第２シート状電極部材の下に配置され、シート状部材と、該シート状部材の表面に前記シート状部材とは異なる材質で形成された凸部とを有する燃料ガス極用セパレータ部材と、前記燃料ガス極用セパレータ部材の下に配置され、前記第２シート状電極部材に導入される燃料ガスをシールする燃料ガス極用ガスケット部材と、前記燃料ガス極用ガスケット部材の下に配置された燃料ガス極用プレート部材と、前記固体高分子電解質膜部材、前記第１シート状電極部材、前記第２シート状電極部材、前記酸化剤ガス極用セパレータ部材、前記燃料ガス極用セパレータ部材及び前記燃料ガス極用ガスケット部材によってセルを構成するように、前記酸化剤ガス極用プレート部材と前記燃料ガス極用プレート部材との間にそれらを挟持させるネジ締め組立部材とを有する。

【0008】

（２） （１）に記載の燃料電池において、前記第１シート状電極部材及び前記第２シート状電極部材は、拡散層付き電極部材及び該拡散層付き電極部材が配置される電極用開口を有するガスケット部材からなり、前記酸化剤ガス極用セパレータ部材及び前記燃料ガス極用セパレータ部材は、前記電極用開口を有するガスケット部材側の面に前記凸部を有する。

【0009】

（３） （１）又は（２）に記載の燃料電池において、前記燃料ガス極用プレート部材には、一方の面から他方の面に前記燃料ガスを供給する第１燃料ガス流路と、供給された前記燃料ガスを排出する第２燃料ガス流路とが、前記一方の面から突出して設けられ、前記燃料ガス極用ガスケット部材には、前記第１燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用プレート部材と接する面から前記燃料ガス極用セパレータ部材と接する面に貫通する第３燃料ガス流路と、前記第２燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用プレート部材と接する面から前記燃料ガス極用セパレータ部材と接する面に貫通する第４燃料ガス流路とが設けられ、前記燃料ガス極用セパレータ部材には、前記第３燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用ガスケット部材と接する面から前記第２シート状電極部材と接する面に貫通する第５燃料ガス流路と、前記第４燃料ガス流路に対応する位置にあって、前記燃料ガス極用ガスケット部材と接する面から前記第２シート状電極部材と接する面に貫通する第６燃料ガス流路とが設けられるとともに、前記第２シート状電極部材と接する面には前記第５燃料ガス流路から供給される前記燃料ガスを前記第２シート状電極部材の表面に沿って流し、前記第６燃料ガス流路に排出させる溝である燃料ガス分散路が形成され、前記第１燃料ガス流路と前記第３燃料ガス流路との接続部分、前記第３燃料ガス流路と前記第５燃料ガス流路との接続部分、前記第２燃料ガス流路と前記第４燃料ガス流路との接続部分、及び前記第４燃料ガス流路と前記第６燃料ガス流路との接続部分は、前記燃料ガス極用ガスケット部材でシールされている。

【0010】

（４） （３）に記載の燃料電池において、前記燃料ガス極用セパレータ部材は、前記第２シート状電極部材と接する面であって、前記燃料ガス分散路が形成されていない部分に前記凸部を有する。

【0011】

（５） （１）〜（４）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス極用セパレータ部材及び前記燃料ガス極用セパレータ部材に形成された前記凸部はエンボス加工により形成される。

【0012】

（６） （１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス極セパレータには、酸化剤ガス流路として短冊状に貫通された酸化剤ガス供給スリットが前記第１シート状電極の面積にわたり平行に形成されている。

【0013】

（７） （１）〜（６）のいずれか１つに記載の燃料電池において、前記燃料ガスの供給ラインに、燃料ガスを加湿するとともに燃料ガスの気流を検知する気流検知器を配置した。

【0014】

（８） また、本発明の燃料電池駆動システムは、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の燃料電池の燃料ガス供給ラインに、燃料ガスを加湿するとともに燃料ガスの気流を検知する気流検知器を配置した。

【0015】

（９） また、本発明の燃料電池の組み立てキットは、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の燃料電池を構成する部材を有する。

【0016】

（１０） （９）に記載の組み立てキットにおいて、更に、前記燃料電池の燃料ガス供給ラインに、燃料ガスを加湿するとともに燃料ガスの気流を検知する気流検知器を有する。

【発明の効果】

【0017】

必要な部品数を少なくして組み立て及び分解を容易にするとともに、良好な出力電圧を有する燃料電池、その駆動システム及び燃料電池組み立てキットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。

【図2】（ａ）は本実施の形態に係る燃料電池の平面図であり、（ｂ）は本実施の形態に係る燃料電池の正面図であり、（ｃ）は本実施の形態に係る燃料電池の左側面図であり、（ｄ）は本実施の形態に係る燃料電池の底面図である。

【図3】（ａ）は空気極用プレートの平面図であり、（ｂ）は空気極用プレートの正面図であり、（ｃ）は空気極用プレートの底面図である。

【図4】（ａ）は空気極用セパレータの平面図であり、（ｂ）は空気極用セパレータの正面図であり、（ｃ）は空気極用セパレータの底面図であり、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図5】（ａ）はセパレータの導電性膜と拡散層付き電極との接触面近傍の断面模式図であり、（ｂ）はセパレータの導電性膜とガスケットとの接触面近傍の断面模式図である。

【図6】（ａ）及び（ｅ）はガスケットの平面図であり、（ｂ）及び（ｄ）は拡散層付き電極の平面図であり、（ｃ）は固体高分子電解質膜の平面図である。

【図7】（ａ）は水素極用セパレータの平面図であり、（ｂ）は水素極用セパレータの正面図であり、（ｃ）は水素極用セパレータの底面図であり、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図8】水素極用ガスケットの平面図である。

【図9】（ａ）は水素極用プレートの上面図であり、（ｂ）は水素極用プレートの正面図であり、（ｃ）は水素極用プレートの底面図である。

【図10】本実施の形態に係る燃料電池を駆動させる際に使用される気流検知器を示す図である。

【図11】他の実施の形態に係る燃料電池の正面図である。

【図12】本実施の形態に係るセパレータ表面の断面模式図である。

【図13】他の実施の形態に係るセパレータ表面の断面模式図である。

【図14】（ａ）は空気極用セパレータ及び水素極用セパレータに形成された導電性膜の表面の写真であり、（ｂ）は（ａ）における窪み箇所を明記した図であり、（ｃ）は（ａ）の拡大写真であり、（ｄ）は（ｃ）における窪み箇所を明記した図である。

【図15】（ａ）は凹凸を有する導電性膜の断面模式図であり、（ｂ）は導電性膜が形成されていないセパレータの表面近傍の断面模式図である。

【図16】従来の燃料電池におけるガスケットが固着したセパレータの表面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態に係る燃料電池１は、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素を用いたものを一例として説明する。

【0020】

図１は、本実施の形態に係る燃料電池１の分解斜視図である。図２（ａ）は本実施の形態に係る燃料電池の平面図であり、図２（ｂ）は本実施の形態に係る燃料電池の正面図であり、図２（ｃ）は本実施の形態に係る燃料電池の左側面図であり、図２（ｄ）は本実施の形態に係る燃料電池の底面図である。燃料電池１は、空気極用プレート１０（酸化剤ガス極用プレート部材）と、空気極用セパレータ２０（酸化剤ガス極用セパレータ部材）と、ガスケット３０及び拡散層付き電極３１からなる空気極用シート状電極３５（第１シート状電極部材）と、ガスケット３４及び拡散層付き電極３３からなる水素極用シート状電極３６（第２シート状電極部材）と、固体高分子電解質膜３２と、水素極用セパレータ４０（燃料ガス極用セパレータ部材）と、水素極用ガスケット４１（燃料ガス極用ガスケット部材）と、水素極用プレート５０（燃料ガス極用プレート部材）と、組立ネジ６０（ネジ締め組立部材）とから構成されている。

【0021】

空気極用プレート１０について説明する。図３（ａ）は空気極用プレート１０の平面図であり、図３（ｂ）は空気極用プレート１０の正面図であり、図３（ｃ）は空気極用プレート１０の底面図である。空気極用プレート１０は燃料電池１の組立状態や内部がよく見えるように、絶縁性を有する透明な材質で形成されている。空気極用プレート１０の材質が絶縁性を有することにより、空気極用セパレータ２０と水素極用セパレータ４０が外部の導体への接触を抑制することができる。空気極用プレート１０の左右端部には、各々位置決め支柱１０ａが設けられている。位置決め支柱１０ａの中央部には、組立ネジ６０のネジ山の外径よりも若干大きい貫通孔１０ｂが設けられ、組立ネジ６０をガイドする。貫通孔１０ｂの下方には、組立ネジ６０と螺合する固定メスネジ穴１０ｃが設けられている。また、空気極用プレート１０には、空気極用セパレータ２０に空気を導入するための空気供給穴１０ｄが設けられている。

【0022】

空気極用セパレータ２０について説明する。図４（ａ）は空気極用セパレータ２０の平面図であり、図４（ｂ）は空気極用セパレータ２０の正面図であり、図４（ｃ）は空気極用セパレータ２０の底面図であり、図４（ｄ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。空気極用セパレータ２０は、シート状部材２０ｆと導電性膜２０ｅとを有する。シート状部材２０ｆは、不透過性の金属、導電性セラミックス、炭素、膨張黒鉛又は導電性ポリマから形成されている。シート状部材２０ｆの材質としては、空気供給スリット２０ｄの加工性の観点からＳＵＳ等の金属であることが好ましい。

【0023】

空気極用セパレータ２０には外部に電力を供給する端子２０ａが正面方向へ延出している。端子２０ａの端部には電力取りだしコネクタ取付穴２０ｂが開口されている。

【0024】

空気極用セパレータ２０の左右端部には、空気極用プレート１０の位置決め支柱１０ａに嵌合するように位置決め半穴２０ｃが設けられている。空気極用セパレータ２０の中央部には厚み方向に貫通する短冊状の空気供給スリット２０ｄが開口されている。空気供給スリット２０ｄは、従来の金属加工方法にて短冊状に形成されており、円形状のものと比較して開口面積が増加するとともに拡散層付き電極３１に満遍なく空気を供給することができるため、効率よく電力を供給することができる。

【0025】

空気極用セパレータ２０には、シート状部材２０ｆのガスケット３０と接する面に導電性膜２０ｅが形成されている。導電性膜２０ｅは、例えば金、銀、炭素等の導電性粒子を有する導電性ペーストにより形成されており、シート状部材２０ｆとは異なる材料が用いられている。

【0026】

空気極用セパレータ２０の表面は、図４（ｂ）や図４（ｄ）に示すように凹凸の形成により粗面化されている。

【0027】

図５（ａ）は空気極用セパレータ２０の導電性膜２０ｅと拡散層付き電極３１との接触面近傍の断面模式図であり、図５（ｂ）はセパレータ２０の導電性膜２０ｅとガスケット３０との接触面近傍の断面模式図である。図５に示すように、導電性膜２０ｅはベース部２０ｇ及び凸部２０ｈを有する。導電性膜２０ｅの表面には複数の窪みが設けられ、エンボス加工にて形成された凹凸の上に導電性粒子による小さな凹凸が形成されている。導電性膜２０ｅの凹凸は拡散層付き電極３１と密着している。また、導電性膜２０ｅは、特に、ガスケット３０に図５に示すような凹凸が形成されている場合には、図５（ｂ）に示すようにガスケット３０と密着する。この凹凸は、例えばエンボス加工にて凹部を設けることにより形成される他、導電性ペーストによりベース部２０ｇを塗布して形成した後に凸部２０ｈを塗布して形成することができる。

【0028】

導電性膜２０ｅの膜厚Ｈは２０〜１００μｍ程度である。また、導電性膜２０ｅの凹凸の深さ（凸部２０ｈの高さ）は、拡散層付き電極３１やガスケット３０と密着できる程度であればよく、拡散層付き電極３１に対してはシール性又は密着性等の観点から導電性膜２０ｅに含有される粒子の粒径より大きいことが好ましい。また、ガスケット３０に対してはエンボス加工にて形成された凹凸は図５に示すように断面形状がなだらかであることが好ましい。

【0029】

ガスケット３０及び３４、拡散層付き電極３１及び３３、固体高分子電解質膜３２について説明する。図６（ａ）及び図６（ｅ）は各々ガスケット３０及び３４の平面図であり、図６（ｂ）及び図６（ｄ）は各々拡散層付き電極３１及び３３の平面図であり、図６（ｃ）は固体高分子電解質膜３２の平面図である。ガスケット３０及び３４はシリコーン樹脂材やフッ素樹脂材等で形成されている。ガスケット３０は固体高分子電解質膜３２と空気極用セパレータ２０との隙間をシールする。ガスケット３４は固体高分子電解質膜３２と水素極用セパレータ４０との隙間をシールする。ガスケット３０及び３４の中央部には各々電極用開口３０ｂ及び３４ｂが設けられており、各々拡散層付き電極３１及び３３が嵌合される。

【0030】

拡散層付き電極３１及び３３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等の黒鉛繊維による多孔質基材に、白金、白金ルテニウム合金等の触媒層が固体高分子電解質膜３２側の面に形成されてなる。固体高分子電解質膜３２は親水基及び疎水基を有する固体の電解質高分子膜である。固体高分子電解質膜３２は、拡散層付き電極３１で生成されたプロトンを拡散層付き電極３３に供給する。

【0031】

ガスケット３０及び３４、拡散層付き電極３１及び３３、固体高分子電解質膜３２は、空気極用セパレータ２０と水素極用セパレータ４０との間にそれぞれ配置される。

【0032】

水素極用セパレータ４０について説明する。図７（ａ）は水素極用セパレータ４０の平面図であり、図７（ｂ）は水素極用セパレータ４０の正面図であり、図７（ｃ）は水素極用セパレータ４０の底面図であり、図７（ｄ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。水素極用セパレータ４０は、空気極用セパレータ２０と同様にシート状部材４０ｇと導電性膜４０ｆとを有し、シート状部材４０ｇが金属等により形成されているとともに、空気極用プレート１０の位置決め支柱１０ａに嵌合するように位置決め半穴４０ｃが設けられ、シート状部材４０ｇのガスケット３０と接する面に導電性膜４０ｆが形成されている。導電性膜４０ｆは、導電性膜２０ｅと同様にベース部４０ｈ及び凸部４０ｉを有する。また、導電性膜４０ｆは、特に水素極用セパレータ４０に形成されることにより、水素ガスが金属に進入して脆化する水素侵食を抑制することができる。

【0033】

水素極用セパレータ４０には、電力取りだしコネクタ取付穴４０ｂが端部に開口している端子４０ａが正面方向へ延出している。端子４０ａは、空気極用セパレータ２０の端子２０ａと線対象の位置に配置されている。

【0034】

また、水素極用セパレータ４０には厚み方向に貫通する二つの水素ガス供給穴４０ｄが形成されており、一方の水素ガス供給穴４０ｄ（第５ガス流路）からジグザグ状の経路を経て他方の水素ガス供給穴４０ｄ（第６ガス流路）に連絡している溝である水素ガス流路４０ｅ（燃料ガス分散路）が設けられている。水素ガス流路４０ｅは一方の水素ガス供給穴４０から導入された水素を拡散層付き電極３１の表面に沿って流すための流路である。水素ガス流路４０ｅは、拡散層付き電極３１と水素ガスとの接触面積を増加させる観点から、ジグザグ状に形成されている。

【0035】

水素極用ガスケット４１について説明する。図８は水素極用ガスケット４１の平面図である。水素極用ガスケット４１は、ガスケット３０と同様の材質で形成されており、水素極用セパレータ４０と水素極用プレート５０との間をシールして水素の漏洩を防止する。

【0036】

水素極用ガスケット４１には、厚み方向に貫通する二つの水素ガス供給穴４１ａ（第３燃料ガス流路、第４燃料ガス流路）が形成されている。二つの水素ガス供給穴４１ａは、各々水素極用セパレータ４０の二つの水素ガス供給穴４０ｄ（第５燃料ガス流路、第６燃料ガス流路）と対応する位置に設けられている。

【0037】

水素極用プレート５０について説明する。図９（ａ）は水素極用プレート５０の上面図であり、図９（ｂ）は水素極用プレート５０の正面図であり、図９（ｃ）は水素極用プレート５０の底面図である。水素極用プレート５０は、空気極用プレート１０と同様に絶縁性を有する透明な材質で形成されている。

【0038】

水素極用プレート５０の水素極用ガスケット４１と接する面の反対側の面には、中心部に水素ガス供給穴５０ｂ（第１燃料ガス流路、第２燃料ガス流路）が設けられた２本の水素ガス供給チューブ５０ａが突出するように形成されている。水素ガス供給穴５０ｂは、水素極用プレート５０が水素極用ガスケット４１に組み付けられたとき、水素極用ガスケット４１の水素ガス供給穴４１ａと連通する。

【0039】

また、水素極用プレート５０の左右端部には、組立ネジ６０による組立て時に組立ネジ６０の頭部を収納するためのネジ穴５０ｃと、ネジ穴５０ｃに連結して組立ネジ６０に螺合する固定メスネジ穴５０ｄとを有する。

【0040】

本実施の形態に係る燃料電池１の組立て方法の一例について説明する。この説明では、空気極用プレート１０の上に各構成部材を順に配置する方法について説明する。まず、空気極用プレート１０の上に、空気極用セパレータ２０及びガスケット３０をこの順で置く。ガスケット３０の電極用開口３０ｂにシート状の拡散層付き電極３１を嵌入する。ガスケット３０と拡散層付き電極３１とはほぼ同じ厚みを有するため、両者の上面はほぼ平らになる。

【0041】

次に、ガスケット３０と拡散層付き電極３１とが形成する平面の上にシート状の固体高分子電解質膜３２を置く。固体高分子電解質膜３２の上に更にガスケット３４及び拡散層付き電極３３を置く。空気極用セパレータ２０、ガスケット３０、固体高分子電解質膜３２は、配置する際、位置決め半穴２０ｃ、３０ａ、３２ａ及び３４ａが空気極用プレート１０の位置決め支柱１０ａに沿って移動して配置される。

【0042】

これらのシート状の部材が平らな層をなすように置かれた上に水素極用セパレータ４０及び水素極用ガスケット４１を置く。水素極用セパレータ４０及び水素極用ガスケット４１は、配置する際、位置決め半穴４０ｃ及び４１ｂが空気極用プレート１０の位置決め支柱１０ａに沿って移動して配置される。

【0043】

そして、水素極用ガスケット４１の上に水素極用プレート５０を置く。この際、水素極用セパレータ４０の水素ガス供給穴４０ｄと水素極用ガスケット４１の水素ガス供給穴４１ａ、及び水素極用ガスケット４１の水素ガス供給穴４１ａと水素極用プレート５０の水素ガス供給穴５０ｂは各々連通するようにする。

【0044】

上述のように各部材が重ねられた後に、水素極用プレート５０のネジ穴５０ｃから下に向けて組立ネジ６０を挿入し、組立ネジ６０のネジ山が空気極用プレート１０の固定メスネジ穴１０ｂのネジと螺合するように組立てる。この場合、図３に示す空気極側プレート１０の位置決め支柱１０ａの高さＨ０は、組立が完了したとき、空気極セパレータ２０と水素極セパレータ４０とに挟まれたシート状の部材が適切な圧力で保持されるように設定されている。負荷は端子２０ａと４０ａの間に接続される。

【0045】

このようにして組立てた燃料電池１の駆動方法について説明する。まず、一方の水素ガス供給チューブ５０ａから供給された水素は、一方の水素ガス供給穴５０ｂ、４１ａ及び４０ｄを通過し、水素極用セパレータ４０の水素ガス流路４０ｅに導入されるとともに拡散層付き電極３３の表面に供給される。反応後の残余の水素は、他方の水素ガス供給穴４０ｄ、４１ａ及び５０ｂを通過し、他方の水素ガス供給チューブ５０ａから排出される。

【0046】

空気極用プレート１０の空気供給穴１０ｄを通過した空気は自然供給の形で空気極用セパレータ２０の空気供給スリット２０ｄを経て拡散層付き電極３１の表面に供給される。そして、固体高分子電解質膜３２を介して発生するイオン電導性と電子非電導性とにより、端子２０ａと４０ａとの間に接続される負荷に電力が供給される。

【0047】

以上のように、本実施の形態に係る燃料電池１は、シール機能を有する水素極用ガスケット４１自体に水素ガス供給穴４１ａを設けることにより、従来では二つのＯリングの線接触にてシールしていたものを一つのシート部材の面接触にてシールすることができる。また、空気極用セパレータ２０および水素極用セパレータ４０はセパレータの他に集電板の役目も担っており、集電板を別途設ける必要がない。このため、部品数の削減により燃料電池１が組み立てやすく、５〜１０分で組立てることができ、部品数の削減により組立て・分解時に部品を装着し忘れることを抑制するとともに水素ガス供給穴を容易にシールすることも可能となる。したがって、燃料電池１は、各種の空気極用セパレータ２０、水素極用セパレータ４０、固体高分子電解質膜３２の交換が容易であり、評価実験によく適合している。また、燃料電池１は、その組み立て前の状態において燃料電池組み立てキットとして好適に用いることが可能となる。

【0048】

また、本実施の形態に係る燃料電池１は、空気極用セパレータ２０及び水素極用セパレータ４０に各々形成された導電性膜２０ｅ及び４０ｆによりこれらのセパレータの腐食を抑制することができる。特に、水素極用セパレータ４０では水素ガスによる水素侵食を抑制するとともにガスケット３０の固着を防止することができる。このため、燃料電池１は耐久性に優れるとともに、組立て時に取り付け方向を誤ることがないため組立て易い。また、導電性膜２０ｅには、含有する導電性粒子の凹凸の他にエンボス加工により形成された凹凸を有するため、拡散層付き電極３１の密着性に優れる。

【0049】

本実施の形態に係る燃料電池１では空気極用セパレータ２０、空気極用シート状電極３５、固体高分子電解質膜３２、水素極用シート状電極３６、水素極用セパレータ４０及び水素極用ガスケット４１で構成されるセル（単セル）について説明したが、単セルを直列に配線接続すればスタック構造を形成することができる。

【0050】

本実施の形態に係る燃料電池１では、更に、水素供給ラインに例えば図１０に示すような簡易な気流検知器（水素ガス気流検知器）７０を接続すれば、水素の供給量や供給状態を目視で簡単に観察することができる燃料電池駆動システムを構成することができる。この場合に用いられる図１０の気流検知器７０は、密閉された透明容器７１に半分ほど水を入れ、一本のガラスチューブ７２（プラスチックのチューブでもよい）の下端が水の中にあるように、もう一本のガラスチューブ７２の下端が水よりも上にあるように配置したものである。水素をガラスチューブ７２に供給し、ガラスチューブ７３から出てくる水素を水素極側プレート５０の水素ガス供給穴５０ｂにビニールチューブ等を介して供給する。このように構成すれば、水素の供給量や供給状態を、気流検知器７０の中の水に生じる泡の状態で容易に観察することができる。また、このように気流検知器において加湿機能を持たせるようにすることで、固体高分子電解質膜３２の乾燥を防止することができる。

【0051】

本実施の形態に係る燃料電池１では、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池について説明したが、酸化剤ガスとして酸素等、燃料ガスとしてメタンガス等を用いてもよい。メタンガスを用いる場合、拡散層付き電極３１の拡散層の膜厚を増加して出力を確保する等の手段を講じてもよい。また、燃料ガスの変わりにメタノールやエタノール等の液体燃料を用いてもよい。この場合、液体燃料の種類に応じて拡散層付き電極３１の触媒成分を白金系合金、酸化物系材料、カーボン系材料、錯体系材料等に適宜変更してもよい。

【0052】

本実施の形態に係る燃料電池１では、空気極側プレート１０の空気供給穴１０ｄと、空気極セパレータ２０の空気供給スリット２０ｄとを介して拡散層付き電極３１の表面に空気が自然供給されるようにしたが、酸化剤ガスとして酸素を用いる場合には、図１１に示すように、閉鎖された空間で強制供給可能な形に構成してもよい。すなわち、図１１の空気極側プレート８０は、実質的に、図９に示す水素極用プレート５０に空気極側プレート１０の位置決め支柱１０ａと同様な位置決め支柱８０ａを追加した形状をしている。

【0053】

また、この場合、空気極用セパレータ２０の代わりに用いる空気極用セパレータ９０としては、水素極用セパレータ４０を水素極用ガスケット４１とともに用いることができる。この他の部材および組立ネジよる組立構造については空気極用セパレータ２０の場合と同様に構成する。したがって、水素ガスの供給は水素極用セパレータ４０の場合と同様に行われるが、酸素の供給は空気極用プレート８０の一方の酸素ガス供給チューブ８０ｂから供給し、他方の酸素ガス供給チューブ８０ｂから排出する。この構成は、純酸素および純水素を用いた種々の実験などを行うのに便利である。

【0054】

本実施の形態に係る燃料電池１では、水素極用セパレータ４０のガスケット３４と接する面に凹凸を有する導電性膜４０ｆを形成したが、水素極用セパレータ４０のガスケット３４と接する面において、水素ガス流路４０ｅ以外の箇所にのみ導電性膜を形成してもよい。

【0055】

本実施の形態に係る燃料電池１では、水素極用セパレータ４０のガスケット３４と接する面に凹凸を有する導電性膜４０ｆを形成したが、その面とは反対側の面である水素極用ガスケット４１と接する面にも凹凸を有する導電性膜を形成してもよい。ガスケット３４及び水素極用ガスケット４１の破損を極力抑制し、導電性膜の表面の凹凸により水素ガスのシール性を向上させ、水素極用セパレータ４０の水素侵食も抑制することができる。

【0056】

本実施の形態に係る燃料電池１ではガスケット３０及び拡散層付き電極３１により空気極用シート状電極３５を構成し、ガスケット３４及び拡散層付き電極３３により水素極用シート状電極３６を構成しているが、コストなどを無視すれば、拡散層付き電極３１及び３３の材料で空気極用シート状電極３５及び水素極用シート状電極３６の全体を形成してもよい。

【0057】

また、本実施の形態に係る空気極用セパレータ２０及び水素極用セパレータ４０は、図５及び図１２に示すように、シート状部材２０ｆにベース部２０ｇ及び凸部２０ｈがこの順で形成されているが、図１３に示すように、シート状部材２０ｆに凸部２０ｈのみを形成してもよい。この場合、ベース部２０ｇを形成する工程を省略することができるとともに、導電性ペーストの使用量がベース部２０ｇを省いた分だけ低減するため、低コスト化を実現することが可能となる。

【実施例】

【0058】

次に本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、以下の例に限定されるものではない。

【0059】

（実施例１）
実施例１では、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素を１０ｃｃ／ｍｉｎの流速で導入した燃料電池を用いた。燃料電池の構成物品である空気極用プレート、空気極用セパレータ、空気極用シート状電極、固体高分子電解質膜、水素極用シート状電極、水素極用セパレータ、水素極用ガスケット及び水素極用プレートは、各々図３に〜図９に記載の形状を有する。

【0060】

空気極用セパレータ及び水素極用セパレータに形成された導電性膜の表面を光学顕微鏡で撮影した写真を図１４に示す。図１４（ａ）は空気極用セパレータ及び水素極用セパレータに形成された導電性膜の表面の写真（×１００）であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）における窪み箇所を明記した図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）の拡大写真（×３００）であり、図１４（ｄ）は図１４（ｃ）における窪み箇所を明記した図である。図１４に示すように、導電性膜の表面には凹凸が形成されており、これらは肉眼で容易に確認することができる程度の大きさであった。また、導電性膜の膜厚は６０μｍであった。

【0061】

導電性膜の凹凸の深さを株式会社キーエンス社製のビデオマイクロスコープ（型番：ＶＨＸ−２００）で測定した。その結果を図１５に示す。図１５（ａ）は凹凸を有する導電性膜の断面形状の模式図である。図１５（ａ）に示すように、エンボス加工した導電性膜の凹凸の深さは最大で１６μｍであった。

【0062】

このような各部品を前述の組立方法により組立てて実施例１の燃料電池を組立てた。組立ネジを１Ｎ・ｍのトルクで締め付けた。

【0063】

（比較例１）
実施例１において空気極用セパレータ及び空気極用セパレータに導電性膜を形成していないことを除き、実施例１と同様の燃料電池を比較例１の燃料電池とした。すなわち、水素極用プレート及び水素極用セパレータは母材が露出していることになる。図１５（ｂ）に示すように、導電性膜が形成されていない水素極用セパレータの凹凸の深さは最大で５μｍであった。

【0064】

（比較例２）
実施例１において、水素極用ガスケットの代わりに、Ｏリングを水素ガスの導入側と排気側に配置して水素ガス流路をシールしたことを除き、実施例１と同様の燃料電池を比較例２の燃料電池とした。

【0065】

（比較例３）
実施例１において、水素極用ガスケットの代わりにＯリングを用いて水素ガス流路をシールし、空気極用セパレータ及び空気極用セパレータには導電性膜を形成していないことを除き、実施例１と同様の燃料電池を比較例３の燃料電池とした。

【0066】

実施例１及び比較例１〜３について、組立て易さ、分解性、耐久性及び出力電圧について評価した。評価方法は以下の通りである。

【0067】

組み立て易さは部品の数により次の基準で相対評価した。
・実施例１と同じ部品数 ：○
・実施例１より部品数が多い：△

【0068】

分解性は部品の数により次の基準で相対評価した。
・実施例１と同じ部品数 ：○
・実施例１より部品数が多い：△

【0069】

耐久性：組み立て及び分解を１００回繰り返し、ガスケットの剥離やその他の部品の劣化等に該当する箇所の個数に基づいて、以下の基準で評価した。
・該当箇所の個数が０個 ：◎
・該当箇所の個数が１〜５個 ：○
・該当箇所の個数が５〜１０個：△
・該当箇所の個数が１０個以上：×

【0070】

出力電圧：株式会社エヌエフ回路設計ブロック社製の電圧測定器（ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ ＡＮＡＬＹＺＥＲ、型番：ＡＳ−５１０−４）をセパレータの端子に取り付けて測定した電圧値を次の基準で相対評価した。
・実施例１の電圧値 ：○
・実施例１の電圧値より１０％以上劣化した電圧値：△

【0071】

評価結果を表１に示す。

【0072】

【表1】

【0073】

表１に示されるように、実施例１は、すべての評価項目において○及び◎であり、種々の実験などを行うのに適していることがわかった。

【0074】

一方、比較例１は、シール部材としてガスケットを使用しており組み立て易いが、空気極用セパレータ及び水素極用セパレータにエンボス加工が施された導電性膜が形成されていない。このため、比較例１は、分解時にガスケットの破片が各セパレータに付着したため分解性及び耐久性に劣り、電圧値も劣化した。また、比較例１では、実施例１と比較して部品数が同じであるものの、空気極用セパレータ及び水素極用セパレータに導電性膜が形成されていないため、これらを組み込む際に取り付け方向を誤る可能性が高い。よって、比較例１は、前述の組み立て易さに部品を取り付ける方向を誤るか否かの観点を含めると、実施例１より劣ることになる。

【0075】

図１６は、比較例１（従来）の燃料電池におけるガスケットが固着した水素極用セパレータの表面写真である。このように、比較例１では、ガスケットの破片が水素極用セパレータに固着してしまう。

【0076】

比較例２は、各セパレータにエンボス加工された導電性膜が形成されているために電圧値が実施例１と同等であったものの、Ｏリングを用いているため実施例１より部品数が多く、組立て易さ及び分解性が劣る結果となった。また、耐久性については、組み立て及び分解を繰り返すにつれてＯリングが劣化してきたため、実施例１より劣る結果となった。

【0077】

比較例３は、Ｏリングを用い、且つ空気極用セパレータ及び水素極用セパレータに導電性膜が形成されていないため、すべての評価項目において実施例１より劣る結果となった。また、比較例１と同様に、図１６に示すようなガスケット破片の固着が発生した。

【符号の説明】

【0078】

１ 燃料電池、１０及び８０ 空気極用プレート、１０ａ及び８０ａ 位置決め支柱、１０ｂ 貫通孔、１０ｃ及び５０ｄ 固定メスネジ穴、１０ｄ 空気供給穴、２０及び９０ 空気極用セパレータ、２０ａ及び４０ａ 端子、２０ｂ及び４０ｂ 電力取りだしコネクタ取付穴、２０ｃ、３０ａ、３２ａ、３４ａ、４０ｃ及び４１ｂ 位置決め半穴、２０ｄ 空気供給スリット、２０ｅ及び４０ｆ 導電性膜、２０ｆ及び４０ｇ シート状部材、２０ｇ及び４０ｈ ベース部、２０ｈ及び４０ｉ 凸部、３０及び３４ ガスケット、３０ｂ及び３４ｂ 電極用開口、３１及び３３ 拡散層付き電極、３２ 固体高分子電解質膜、３５ 空気極用シート状電極、３６ 水素極用シート状電極、４０ 水素極用セパレータ、４０ｄ、４１ａ及び５０ｂ 水素ガス供給穴、４０ｅ 水素ガス流路、４１ 水素極用ガスケット、５０ 水素極用プレート、５０ａ 水素ガス供給チューブ、５０ｃ ネジ穴、６０ 組立ネジ、７０ 気流検知器、７１ 透明容器、７２ ガラスチューブ、８０ｂ 酸素ガス供給チューブ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図15】

【図5】

【図12】

【図13】

【図14】

【図16】