JP4029648B2 - 燃料電池製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関する、特に燃料電池のセル構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、電解質膜を挟持する一対の電極のうちアノード極側に水素を含有する燃料ガスを、カソード極側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、電解質膜表面で生じる電気化学反応を利用して直接電気エネルギを取り出すものが知られている。
【０００３】
【化式１】
アノード極：Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
カソード極：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
燃料ガスとしては、水素貯蔵装置に貯蔵した水素や水素を含有する燃料、例えば天然ガス、メタノール、ガソリン等を改質した水素含有ガスが知られている。一方、酸化剤ガスとしては空気が知られている。
【０００４】
ここで、図１に燃料電池の要部の構成を示す。電解質膜１０４を挟んでガス拡散層１０３、１０５が設けられ、それらの外側に集電体兼流路構成部１０２、１０６が積層される。このような単位セルをセパレータ１０１、１０７を介して積層することにより燃料電池スタックを構成する。通常、集電体兼流路構成部１０２、１０６とセパレータ１０１、１０７は（例えば図２に示されるような）一体の板であり、この板をバイポーラプレート１０８、１０９と呼ぶ。
【０００５】
バイポーラプレート１０８、１０９は、単位電池相互を電気的に接続する導電部材としての役割とともに、正・負電極にそれぞれ供給されるガスを分離する隔離板としての役割、電極へガスを供給するための流路を確保する役割を担っている。そのため、表面は還元または酸化雰囲気に晒され、且つ高温下という厳しい条件で使用され、このような過酷な条件下においても変質劣化することなく、また、イオン伝導性を示すことなく優れた電子伝導性を維持することが要求される。加えて、ガス流路１１２、１１３の溝は発電能力を左右するガスの流れの均一性を確保する必要があるため、バイポーラプレート１０８、１０９は精巧なものでなければならず、したがって精密な加工を必要とする。
【０００６】
しかしながら、上記のように隔離、集電、ガス流路という三つの機能を備えたバイポーラプレート１０８、１０９に、精度よく細かな流路を構成するために例えばＮＣ工作機械を用いて加工すると、多くの時間と多大な費用が必要であった。
【０００７】
そこで、この問題を解決するために、特開平１１−２８３６３６号公報においては、直線状のスリットを打ち抜いた板と、平板を重ね合わせることによってバイポーラプレート１０８、１０９を形成している。また、特開平７−４５２９４号公報においては、セパレータ１０１、１０７の役割を持つ平板に集電とガス流路１１２、１１３の役割を持つ複数の細片を、間隔を空けて配置している。
【０００８】
また図２に示すように、水マネージメント（燃料電池内部におけるガスの加湿と生成水の回収）を目的としてバイポーラプレート１０８、１０９に多孔質体を用いる場合がある。ここでは、電解質膜１０４を挟持するガス拡散層１０３、１０５の外側に、多孔質板により形成した内向面上にガス流路１１２、１１３を備えたバイポーラプレート１０８、１０９を配置し、さらに、その外側に純水の流通路となる純水流路１１０、１１１を形成する。
【０００９】
バイポーラプレート１０８、１０９は純水流路１１０、１１１を流れる純水によって常に湿った状態、すなわち多孔質体のポーラス部に水が入った状態になる。ガス流路１１２、１１３で、乾燥したガスと湿ったバイポーラプレート１０８、１０９が接触すると、供給されたガス温度における飽和蒸気圧とその時点でのガスの蒸気圧とに差がある場合にはポーラス部の水が蒸発してガスを加湿する。また、ガス流路１１２、１１３内の圧力を、純水流路１１０、１１１内の圧力より高く設定することにより、式（１）、（２）の反応で生成された水は多孔質体内に吸収される。これにより余分な生成水を常に除去することができ、生成水のフラッディングによりガス流路１１２、１１３が詰まるのを防止することができ、安定した運転を継続して行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら上記のように水マネージメントを目的として多孔質板を用いたバイポーラプレート１０８、１０９には以下のような問題があった。
【００１１】
まず、多孔質平板は、多孔質ではない通常の平板（以下、ソリッドプレート）に比べて機械強度が弱いため、例えば流路をＮＣ工作機械で加工する場合には薄肉化が困難であった。これは燃料電池本体の体積増加につながり、車に燃料電池を搭載する等の燃料電池が占有する容積が限られる場合には出力低下につながる。
【００１２】
また、ソリッドプレートや金属プレートを用いたバイポーラプレートの場合は、量産段階では金型を用いたプレス加工で製造することができる。しかしながら、多孔質板を用いた場合には、図３に示すようにプレス加工時にポーラス部を潰してしまうため、成形後のプレートは多孔質としての特徴を失い水マネージメントができないという問題があった。
【００１３】
このような問題に対して特開平１１−２８３６３６号公報のように平板に設けたスリット１２０により流路を形成した場合には、図４に示すようにガスのマニホールド１１９内の経路が複雑になってしまい、マニホールド１１９内の圧力損失が増大してしまうという問題があった。この場合には、燃料電池に供給するガス圧を高く設定する必要があり、システム全体としての効率を下げてしまう、または、経路が複雑になることで経路の同一断面内の流れにバラツキが生じて出力が落ちてしまう、という不具合が生じる。また、バイポーラプレート１０８、１０９に多孔質板を採用して上記の水マネージメントを行う際には、純水流路１１０、１１１とガス流路１１２、１１３との圧力差を常に一定に精度よく保つ必要があるが、ガス流路１１２、１１３に至るまでの経路が複雑であるとその圧力差を維持するのが難しいという問題があった。
【００１４】
さらに、特開平７−４５２９４号公報においては、ガス流路１１２、１１３の経路が複雑になるのを避けることができるものの、非常に細かい流路を平板上に精巧に一本一本配置するというのは、機械加工が必要なくなるものの、逆に製造コストがかかってしまうという問題があった。
【００１５】
そこで本発明は、燃料電池に供給されるガスの圧力損失を低減し、且つ、低コストの燃料電池を提供することを目的とする。
【００１７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、を備える燃料電池を製造する発明において、前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有し前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットが在外部まで達するように形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、を備えた。
【００１８】
第２の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと、を備え、前記セパレータおよび前記集電体の前記マニホールド内面を構成する面に、ガス不透過の処理を施した燃料電池を製造する発明において、前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットを打ち抜き形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットの端部を含む部分を前記セパレータ面に垂直に打ち抜いて、その打ち抜き部分が、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドになるように形成する工程と、を備えた。
【００２０】
第３の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、を備える燃料電池を製造する発明において、前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有する平板の平面内部に、前記純水流路になる複数のスリットが在外部まで達するように打ち抜き形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記純水流路に純水を分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、を備えた。
【００２１】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記セパレータと前記平板とを導電性の接着剤により固定する工程を備えた。
【００２４】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有し集電体となる平板の平面内部に、ガス流路になる複数のスリットが在外部まで達するように形成し、スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、スリットが達している在外部を切り落とすことにより、セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口をセパレータの外部に備えられ前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと連通するための開口にすることで、マニホールド内での圧力損失を低減することができるので、燃料電池に燃料ガスまたは酸化剤ガスを送るのに必要な圧力を低減することができる。また、ガス流路を正確に、且つ、低コストで形成することができる。
【００２５】
第２の発明によれば、集電体となる平板の平面内部に、ガス流路になる複数のスリットを打ち抜き形成し、スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、スリットの端部を含む部分をセパレータ面に垂直に打ち抜いて、その打ち抜き部分が、ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドになるように形成することで、燃料電池に燃料ガスまたは酸化剤ガスを送るのに必要な圧力を低減することができる。また、ガス流路を正確に、且つ、低コストで形成することができる。
【００２７】
第３の発明によれば、セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有する平板の平面内部に、前記純水流路になる複数のスリットが在外部まで達するように打ち抜き形成し、スリットの形成された平板をセパレータ面に固定してから、スリットが達している在外部を切り落とすことにより、セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口をセパレータの外部に備えられ純水流路に純水を分配するマニホールドと連通するための開口にすることにより、正確に、且つ、低コストで純水流路を形成することができる。
【００２８】
第４の発明によれば、セパレータと平板を導電性の接着剤により固定することで各ガス流路面積を確保すると共に導電性を維持することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本実施形態に用いる燃料電池のセル構造を図５に示す。
【００３１】
セルの最も外側にはガス流路１２、１３と後述する純水流路１０、１１を分離する、多孔質体により形成したセパレータ１、７を配置する。これにより、下流側で過剰になった水は多孔質体内のポーラスに吸い取られるので、フラッディングを抑制することができる。また、ポーラス中の水の濃度勾配と毛細管現象により、多孔質体では、下流部分から乾いた上流部分へ吸収した水を移動させることができる。このとき、多孔質中のポーラス径を上流側と下流側で変えることで水の移動を促進することができる。
【００３２】
セパレータ１、７の内側には、セパレータ１、７面を縦断または横断する複数の略四角柱２ａ、６ａにより構成した集電体兼流路構成部２、６（以下、集電体２、６）を配置する。複数の略四角柱２ａ、６ａを互いに平行に、且つ、等間隔を空けて配置し、この略四角柱２ａ、６ａの隙間をガス流路１２、１３とする。このとき、アノード側のガス流路１２とカソード側のガス流路１３が直交するように四角柱２ａ、６ａを配置する。この四角柱２ａ、６ａを多孔質体、またはソリッドプレートにより形成する。
【００３３】
集電体２、６の内側にはガス拡散層３、５を配置し、ガス拡散層３、５により電解質膜４を挟持する。ガス拡散層３、５ではガス流路１２、１３から供給されたガスを発電面に拡散し、電解質膜４を介してイオン交換を行うことにより起電力を生じる。
【００３４】
このように形成した電池セルを複数積層することにより、燃料電池を構成する。
【００３５】
図６に示したように、多孔質体により形成したセパレータ１、７によりガス流路１２、１３から分離された純水流路１０、１１を形成する。ここでは、ガス流路１２、１３と同様に、複数の四角柱部材２ｂ、６ｂを、セパレータ１、７の外向面を横断または縦断するように、且つ、等間隔を空けて配置する。隣り合う単位セルのセパレータ１、７面と、この四角柱部材２ｂ、６ｂにより純水流路１０、１１を形成する。
【００３６】
このように構成した純水流路１０、１１に純水を流通させることで、多孔質体により形成されたセパレータ１、７に純水が吸収される。そのため、ガス流路１２、１３から純水流路１０、１１側にガスが漏れるのを防ぐことができるとともに、ガス流路１２、１３に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの湿度が低い場合には、セパレータ１、７の表面から純水が蒸発することにより供給ガスの湿度を制御する。また、式（１）、（２）の反応により過剰に水が生成される場合には、純水流路１０、１１内の圧力をガス流路１２、１３内の圧力より低く設定しておくことで、凝縮した生成水をセパレータ１、７内部に吸収する。
【００３７】
このように、多孔質体より形成したセパレータ１、７と流路を形成する集電体２、６の部分を別々の部品とすることにより、従来、精巧なＮＣ工作機械による加工が必要であったバイポーラプレートを、コストのかかる機械加工を施すことなく製作することができるので、低コスト化が図れる。特に、機械強度の弱い多孔質体を用いたセパレータ１、７の形状を簡単なもの、ここでは平板としているので、比較的容易に加工でき、薄肉化が可能となる。
【００３８】
また、セパレータ１、７の外向面に純水流路１０、１１を形成しているので、多孔質体より形成したセパレータ１、７は常に湿った状態であり、ガス不透過な状態を保つことができる。同時に、ガスがドライな時には純水流路１０、１１から多孔質体のポーラス内に染み込んでいる純水がガス側に蒸発し、ガスを加湿することができる。また、燃料電池反応式（１）、（２）で生成される水が過剰になったときには、多孔質体がその水を吸収するという高度な水マネージメントが実現できる。このように、バイポーラプレートを多孔質平板のセパレータ１、７と、それより機械強度の大きな集電体２、６により形成することで、セパレータ１、７の多孔質体としての特質を失うことなく、高度な水マネージメントを行うことができる。
【００３９】
次に、このようなセル構造をもった燃料電池のガス流路１２、１３を構成するセパレータ１、７および集電体２、６の製造方法について説明する。ここでは、ガス流路１２、１３について説明するが、純水流路１０、１１に関しても同様に形成することができる。
【００４０】
まず、ガス流路１２、１３にガスを分配するための外部マニホールド１９に適応するガス流路１２、１３を形成する工程を説明する。図７に示すように、集電体２、６に用いる部材により形成した集電体平板１４、１５に等間隔を空けてガス流路１２、１３となるスリット部２０を打ち抜く。ここでは、セパレータ１、７面に対して集電体平板１４、１５を一方向に大きく形成し、集電体平板１４，１５面の中央には、大きくした方向に延びるスリット部２０を形成する。図７（ａ）には縦方向に、図７（ｂ）では横方向に延びる流路を形成している。例えば図７（ａ）に示した流路をアノード側のガス流路１２とした場合には、図７（ｂ）に示した流路はカソード側のガス流路１３となる。
【００４１】
このように構成すると、スリット部２０を打ち抜いた後にもガス流路１２、１３の端部は閉口しており、集電体２、６を構成する四角柱２ａ、６ａは互いに連なっている。一体の集電体２、６をセパレータ１、７に固定してから流路１２、１３の両端部に位置する在外部を切り落とすことにより、それぞれのガス流路１２、１３の両端を開口する。セパレータ１、７に固定される以前は在外部により四角柱２ａ、６ａを固定し、セパレータ１、７面に固定した後に在外部を切り落とすことで、容易に、且つ、正確にガス流路１２、１３を形成することができる。
【００４２】
また、セパレータ１、７面を往復するガス流路１２、１３を形成する場合を、図７（ｃ）に示す。このときは、ガス流路１２、１３は略Ｕ字形状となるので、集電体２、６を形成する四角柱２ａ、６ａも略Ｕ字形状となる。
【００４３】
集電体平板１４、１５に略Ｕ字形状のスリット部２０を形成する。このとき、集電体平板１４、１５をセパレータ１、７面より大きく形成し、スリット部２０は端部を除いて平板面内に形成する。これにより隣り合う略Ｕ字形状の四角柱２ａ、６ａの位置を固定することができる。
【００４４】
セパレータ１、７面に集電体２、６を固定した後にはガス流路１２、１３の入口部および出口部を開口するために集電体平板１４、１５の在外部を切り落とす。このとき、入口部、出口部は同じ端部に形成することができるので、一端を切り落とすだけでガス流路１２、１３を容易に形成することができる。
【００４５】
次に、ガス流路１２、１３にガスを分配するマニホールドとして図８に示すような内部マニホールド１６を適用する場合のガス流路を形成する工程を説明する。
【００４６】
ここでは、ガス流路１２、１３を階段状に形成し、例えば図８（ａ）に示すように入口部をセパレータ１または７面の上端左部に形成し、出口部を下端右部に形成する。このとき、入口部、出口部はそれぞれセパレータ１、または７面の上端左部および下端右部に形成した、積層方向に延びる内部マニホールドとなる打ち抜き部１６に接続する。この打ち抜き部１６は、集電体平板１４、１５をセパレータ１または７に固定した後に打ち抜く。
【００４７】
ガス流路１２、１３は複数の流路を平行に形成したものであり、それぞれの流路を分割している。しかし、ガス流路１２、１３と同形の階段状の四角柱２ａ、６ａは、集電体平板１４、１５とセパレータ１、７を固定する段階では打ち抜き部分１６によりセパレータ１、７面に対して位置決めされている。よって、集電体平板１４、１５をセパレータ１、７に固定してから打ち抜き部１６を取り除くことで、ガス流路１２、１３を容易に、且つ、正確に形成することができる。
【００４８】
また、図８（ｂ）には、ガス流路１２、１３が一往復半するタイプのものである。これも、入口部、出口部が接続しているうち抜き部１６を、集電体２、６をセパレータ１、７に固定した後に取り除くことでガス流路１２、１３を確保することができる。
【００４９】
ここで、セパレータ１、７には多孔質平板を用いているが、集電体２、６にはソリッドプレートまたは、多孔質平板のどちらを用いてもよい。ただし、多孔質平板を用いる場合には、ガス流路１２、１３を形成する際にポーラス部を維持するだけの強度を持ったものとする。
【００５０】
次に、このように形成した際に、例えば外部マニホールド１９を用いた場合に外部マニホールド１９からガスが漏れるのを防ぐための工程を説明する。
【００５１】
図９に示すように、セパレータ１、７に、またはセパレータ１、７および集電体２、６に多孔質体を用いた場合には、ガス流路１２（１３）を流れるガスがガス流路１３（１２）に漏れる可能性がある。例えば図９においては、アノードガスを分配するアノード側マニホールド１９が、カソード側のガス流路１３を形成するカソード側のセパレータ７により構成される部分から、アノードガスがセパレータ７のポーラスを介してガス流路１３に漏れる可能性がある。また、カソードガスについても同様にアノード側のガス流路１２に漏れる可能性がある。
【００５２】
そこで本実施形態では、図１０に示すように、セパレータ１、７がマニホールド１９に面する部分をガス不透過となるようにする。例えば、図１０（ａ）においては、セパレータ１、７のガス流路１２、１３に平行な端部および集電体２、６のマニホールド１９に面する部分に樹脂を含浸する。これにより、ポーラス部が樹脂により塞がるので、マニホールド１９からガスが漏れるのを確実に防ぐことができる。また、図１０（ｂ）においては、セパレータ１、７の端部をソリッドな部材で構成することで、マニホールド１９からのガスが漏れるのを確実に防ぐことができる。
【００５３】
このようにガス流路１２、１３となる部分を打ち抜き、ガス漏れを防ぐ工程を施した集電体平板１４、１５を図１１に示すようにセパレータ１、７面に固定する。多孔質体より形成されたセパレータ１、７と集電体平板１４、１５を張り合わせる際には、例えば銀を練りこんだ接着剤のような、導電性の接着剤を使用する。このように接着剤により固定することで、ガス流路１２、１３のそれぞれの流路断面積を確保することができる。また、導電性の接着剤を使用することにより、図１１（ａ）に示すようにセパレータ１、７と集電体２、６の対向する面全体に接着剤を塗布しても集電体２、６の機能が低下するのを防ぐことができる。また、図１１（ｂ）に示すように、集電体２、６が多孔質体で形成されている場合には、一部にだけ接着剤を塗布することで、集電体２、６の多孔質体としての特性、例えば凝縮した水の吸収や、ガスの湿度制御等を維持することができる。または、図１１（ｃ）に示すように集電体２、６に多孔質体を用いる場合には、接着剤も多孔質体のものを用いることで、多孔質体の特性を保持することができる。
【００５４】
セパレータ１、７と集電体平板１４、１５を接着し、ガス流路１２、１３の形状を一時的に固持してから、集電体２、６を固持している端部を切り落とすことによりガス流路１２、１３を形成する。このように構成したときの燃料電池内の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れを図１２を用いて説明する。
【００５５】
ガス供給側の外部マニホールド１９内でのガスの流れ方向に沿って並ぶガス流路１２、１３の入口部からガス流路１２、１３へ燃料ガスまたは酸化剤ガスが分配される。ガス流路１２、１３に沿って流れて、出口部からガス排出側の外部マニホールド１９に排出される。このとき、従来のように（図４）複雑な流路を必要としないので、内部圧力損失が小さなものとなり、燃料電池へガスを供給するための圧力を小さくすることができる。
【００５６】
このように、セパレータ１、７と集電体２、６を別々の部品とすることにより、流路加工に精巧な加工を施すことなくガス流路１２、１３を形成することができるので、ＮＣ工作機械を用いる必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、セパレータ１、７を比較的加工工数の少ない平板により形成することができるので、機械強度の小さな多孔質体を用いても薄肉化が可能となる。
【００５７】
また、ガス流路１２、１３および純水流路１０、１１を、ソリッド平板または多孔質平板の平面内部にスリットを開けることにより四角柱２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂを形成し、セパレータ１、７と重ね合わせてから四角柱２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂの端部を固持している部分を切り落とすことにより形成する。これにより集電体２、６を構成する四角柱２ａ、６ａを一本一本並べることなく正確に構成することができるので、生産コストを大幅に低減することができる。また、ガス流路１２、１３およびマニホールド１９を流通する際の内部圧損が小さい流路を形成することができるので、ガスを燃料電池に供給するための圧力を低減することができる。
【００５８】
さらに、セパレータ１、７の外側に純水流路１０、１１を形成することで、ガスがセパレータを介して漏れるのを防ぐことができる。また、ガス流路１２、１３を通るガスの湿度を保つとともに、燃料電池反応で生成された水が過剰になった場合には、その水を吸収するという高度な水マネージメントを行うことができる。
【００５９】
このとき、多孔質体を用いたセパレータ１、７および集電体２、６のマニホールド１９内部に接続している部分を、ガス不透過となる処理を施すことでガス流路１２に酸化剤ガスが、ガス流路１３内に水素ガスが混入するのを防ぐことができる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態の限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池セルの構成図である。
【図２】多孔質体のバイポーラプレートを用いた燃料電池の構成図である。
【図３】多孔質体のバイポーラプレートの従来の形成方法を示す図である。
【図４】バイポーラプレートの薄肉化、低コストを図った従来の燃料電池の構成図である。
【図５】本実施形態の燃料電池セルの構成図である。
【図６】本実施形態の純水流路の構成図である。
【図７】本実施形態に用いる外部マニホールドを用いる集電体平板の形状図である。
【図８】本実施形態に用いる内部マニホールドを用いる集電体平板の形状図である。
【図９】多孔質体セパレータを用いた燃料電池の構造を説明する図である。
【図１０】一部ガス不透過とした場合のバイポーラプレートの構成図である。
【図１１】セパレータに集電体を固着させる際の説明図である。
【図１２】本実施形態におけるガス流路の説明図である。
【符号の説明】
１、７ セパレータ
２、６ 集電体
３、５ ガス拡散層（電極）
４ 電解質膜
１０、１１ 純水流路
１２、１３ ガス流路
１４、１５ 集電体平板（平板）
１６ 打ち抜き部
１９ マニホールド
２０ スリット部
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関する、特に燃料電池のセル構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、電解質膜を挟持する一対の電極のうちアノード極側に水素を含有する燃料ガスを、カソード極側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、電解質膜表面で生じる電気化学反応を利用して直接電気エネルギを取り出すものが知られている。
【０００３】
【化式１】
アノード極：Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
カソード極：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
燃料ガスとしては、水素貯蔵装置に貯蔵した水素や水素を含有する燃料、例えば天然ガス、メタノール、ガソリン等を改質した水素含有ガスが知られている。一方、酸化剤ガスとしては空気が知られている。
【０００４】
ここで、図１に燃料電池の要部の構成を示す。電解質膜１０４を挟んでガス拡散層１０３、１０５が設けられ、それらの外側に集電体兼流路構成部１０２、１０６が積層される。このような単位セルをセパレータ１０１、１０７を介して積層することにより燃料電池スタックを構成する。通常、集電体兼流路構成部１０２、１０６とセパレータ１０１、１０７は（例えば図２に示されるような）一体の板であり、この板をバイポーラプレート１０８、１０９と呼ぶ。
【０００５】
バイポーラプレート１０８、１０９は、単位電池相互を電気的に接続する導電部材としての役割とともに、正・負電極にそれぞれ供給されるガスを分離する隔離板としての役割、電極へガスを供給するための流路を確保する役割を担っている。そのため、表面は還元または酸化雰囲気に晒され、且つ高温下という厳しい条件で使用され、このような過酷な条件下においても変質劣化することなく、また、イオン伝導性を示すことなく優れた電子伝導性を維持することが要求される。加えて、ガス流路１１２、１１３の溝は発電能力を左右するガスの流れの均一性を確保する必要があるため、バイポーラプレート１０８、１０９は精巧なものでなければならず、したがって精密な加工を必要とする。
【０００６】
しかしながら、上記のように隔離、集電、ガス流路という三つの機能を備えたバイポーラプレート１０８、１０９に、精度よく細かな流路を構成するために例えばＮＣ工作機械を用いて加工すると、多くの時間と多大な費用が必要であった。
【０００７】
そこで、この問題を解決するために、特開平１１−２８３６３６号公報においては、直線状のスリットを打ち抜いた板と、平板を重ね合わせることによってバイポーラプレート１０８、１０９を形成している。また、特開平７−４５２９４号公報においては、セパレータ１０１、１０７の役割を持つ平板に集電とガス流路１１２、１１３の役割を持つ複数の細片を、間隔を空けて配置している。
【０００８】
また図２に示すように、水マネージメント（燃料電池内部におけるガスの加湿と生成水の回収）を目的としてバイポーラプレート１０８、１０９に多孔質体を用いる場合がある。ここでは、電解質膜１０４を挟持するガス拡散層１０３、１０５の外側に、多孔質板により形成した内向面上にガス流路１１２、１１３を備えたバイポーラプレート１０８、１０９を配置し、さらに、その外側に純水の流通路となる純水流路１１０、１１１を形成する。
【０００９】
バイポーラプレート１０８、１０９は純水流路１１０、１１１を流れる純水によって常に湿った状態、すなわち多孔質体のポーラス部に水が入った状態になる。ガス流路１１２、１１３で、乾燥したガスと湿ったバイポーラプレート１０８、１０９が接触すると、供給されたガス温度における飽和蒸気圧とその時点でのガスの蒸気圧とに差がある場合にはポーラス部の水が蒸発してガスを加湿する。また、ガス流路１１２、１１３内の圧力を、純水流路１１０、１１１内の圧力より高く設定することにより、式（１）、（２）の反応で生成された水は多孔質体内に吸収される。これにより余分な生成水を常に除去することができ、生成水のフラッディングによりガス流路１１２、１１３が詰まるのを防止することができ、安定した運転を継続して行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら上記のように水マネージメントを目的として多孔質板を用いたバイポーラプレート１０８、１０９には以下のような問題があった。
【００１１】
まず、多孔質平板は、多孔質ではない通常の平板（以下、ソリッドプレート）に比べて機械強度が弱いため、例えば流路をＮＣ工作機械で加工する場合には薄肉化が困難であった。これは燃料電池本体の体積増加につながり、車に燃料電池を搭載する等の燃料電池が占有する容積が限られる場合には出力低下につながる。
【００１２】
また、ソリッドプレートや金属プレートを用いたバイポーラプレートの場合は、量産段階では金型を用いたプレス加工で製造することができる。しかしながら、多孔質板を用いた場合には、図３に示すようにプレス加工時にポーラス部を潰してしまうため、成形後のプレートは多孔質としての特徴を失い水マネージメントができないという問題があった。
【００１３】
このような問題に対して特開平１１−２８３６３６号公報のように平板に設けたスリット１２０により流路を形成した場合には、図４に示すようにガスのマニホールド１１９内の経路が複雑になってしまい、マニホールド１１９内の圧力損失が増大してしまうという問題があった。この場合には、燃料電池に供給するガス圧を高く設定する必要があり、システム全体としての効率を下げてしまう、または、経路が複雑になることで経路の同一断面内の流れにバラツキが生じて出力が落ちてしまう、という不具合が生じる。また、バイポーラプレート１０８、１０９に多孔質板を採用して上記の水マネージメントを行う際には、純水流路１１０、１１１とガス流路１１２、１１３との圧力差を常に一定に精度よく保つ必要があるが、ガス流路１１２、１１３に至るまでの経路が複雑であるとその圧力差を維持するのが難しいという問題があった。
【００１４】
さらに、特開平７−４５２９４号公報においては、ガス流路１１２、１１３の経路が複雑になるのを避けることができるものの、非常に細かい流路を平板上に精巧に一本一本配置するというのは、機械加工が必要なくなるものの、逆に製造コストがかかってしまうという問題があった。
【００１５】
そこで本発明は、燃料電池に供給されるガスの圧力損失を低減し、且つ、低コストの燃料電池を提供することを目的とする。
【００１７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、を備える燃料電池を製造する発明において、前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有し前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットが在外部まで達するように形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、を備えた。
【００１８】
第２の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと、を備え、前記セパレータおよび前記集電体の前記マニホールド内面を構成する面に、ガス不透過の処理を施した燃料電池を製造する発明において、前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットを打ち抜き形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットの端部を含む部分を前記セパレータ面に垂直に打ち抜いて、その打ち抜き部分が、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドになるように形成する工程と、を備えた。
【００２０】
第３の発明は、アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、を備える燃料電池を製造する発明において、前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有する平板の平面内部に、前記純水流路になる複数のスリットが在外部まで達するように打ち抜き形成する工程と、前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記純水流路に純水を分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、を備えた。
【００２１】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記セパレータと前記平板とを導電性の接着剤により固定する工程を備えた。
【００２４】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有し集電体となる平板の平面内部に、ガス流路になる複数のスリットが在外部まで達するように形成し、スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、スリットが達している在外部を切り落とすことにより、セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口をセパレータの外部に備えられ前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと連通するための開口にすることで、マニホールド内での圧力損失を低減することができるので、燃料電池に燃料ガスまたは酸化剤ガスを送るのに必要な圧力を低減することができる。また、ガス流路を正確に、且つ、低コストで形成することができる。
【００２５】
第２の発明によれば、集電体となる平板の平面内部に、ガス流路になる複数のスリットを打ち抜き形成し、スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、スリットの端部を含む部分をセパレータ面に垂直に打ち抜いて、その打ち抜き部分が、ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドになるように形成することで、燃料電池に燃料ガスまたは酸化剤ガスを送るのに必要な圧力を低減することができる。また、ガス流路を正確に、且つ、低コストで形成することができる。
【００２７】
第３の発明によれば、セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有する平板の平面内部に、前記純水流路になる複数のスリットが在外部まで達するように打ち抜き形成し、スリットの形成された平板をセパレータ面に固定してから、スリットが達している在外部を切り落とすことにより、セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口をセパレータの外部に備えられ純水流路に純水を分配するマニホールドと連通するための開口にすることにより、正確に、且つ、低コストで純水流路を形成することができる。
【００２８】
第４の発明によれば、セパレータと平板を導電性の接着剤により固定することで各ガス流路面積を確保すると共に導電性を維持することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本実施形態に用いる燃料電池のセル構造を図５に示す。
【００３１】
セルの最も外側にはガス流路１２、１３と後述する純水流路１０、１１を分離する、多孔質体により形成したセパレータ１、７を配置する。これにより、下流側で過剰になった水は多孔質体内のポーラスに吸い取られるので、フラッディングを抑制することができる。また、ポーラス中の水の濃度勾配と毛細管現象により、多孔質体では、下流部分から乾いた上流部分へ吸収した水を移動させることができる。このとき、多孔質中のポーラス径を上流側と下流側で変えることで水の移動を促進することができる。
【００３２】
セパレータ１、７の内側には、セパレータ１、７面を縦断または横断する複数の略四角柱２ａ、６ａにより構成した集電体兼流路構成部２、６（以下、集電体２、６）を配置する。複数の略四角柱２ａ、６ａを互いに平行に、且つ、等間隔を空けて配置し、この略四角柱２ａ、６ａの隙間をガス流路１２、１３とする。このとき、アノード側のガス流路１２とカソード側のガス流路１３が直交するように四角柱２ａ、６ａを配置する。この四角柱２ａ、６ａを多孔質体、またはソリッドプレートにより形成する。
【００３３】
集電体２、６の内側にはガス拡散層３、５を配置し、ガス拡散層３、５により電解質膜４を挟持する。ガス拡散層３、５ではガス流路１２、１３から供給されたガスを発電面に拡散し、電解質膜４を介してイオン交換を行うことにより起電力を生じる。
【００３４】
このように形成した電池セルを複数積層することにより、燃料電池を構成する。
【００３５】
図６に示したように、多孔質体により形成したセパレータ１、７によりガス流路１２、１３から分離された純水流路１０、１１を形成する。ここでは、ガス流路１２、１３と同様に、複数の四角柱部材２ｂ、６ｂを、セパレータ１、７の外向面を横断または縦断するように、且つ、等間隔を空けて配置する。隣り合う単位セルのセパレータ１、７面と、この四角柱部材２ｂ、６ｂにより純水流路１０、１１を形成する。
【００３６】
このように構成した純水流路１０、１１に純水を流通させることで、多孔質体により形成されたセパレータ１、７に純水が吸収される。そのため、ガス流路１２、１３から純水流路１０、１１側にガスが漏れるのを防ぐことができるとともに、ガス流路１２、１３に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの湿度が低い場合には、セパレータ１、７の表面から純水が蒸発することにより供給ガスの湿度を制御する。また、式（１）、（２）の反応により過剰に水が生成される場合には、純水流路１０、１１内の圧力をガス流路１２、１３内の圧力より低く設定しておくことで、凝縮した生成水をセパレータ１、７内部に吸収する。
【００３７】
このように、多孔質体より形成したセパレータ１、７と流路を形成する集電体２、６の部分を別々の部品とすることにより、従来、精巧なＮＣ工作機械による加工が必要であったバイポーラプレートを、コストのかかる機械加工を施すことなく製作することができるので、低コスト化が図れる。特に、機械強度の弱い多孔質体を用いたセパレータ１、７の形状を簡単なもの、ここでは平板としているので、比較的容易に加工でき、薄肉化が可能となる。
【００３８】
また、セパレータ１、７の外向面に純水流路１０、１１を形成しているので、多孔質体より形成したセパレータ１、７は常に湿った状態であり、ガス不透過な状態を保つことができる。同時に、ガスがドライな時には純水流路１０、１１から多孔質体のポーラス内に染み込んでいる純水がガス側に蒸発し、ガスを加湿することができる。また、燃料電池反応式（１）、（２）で生成される水が過剰になったときには、多孔質体がその水を吸収するという高度な水マネージメントが実現できる。このように、バイポーラプレートを多孔質平板のセパレータ１、７と、それより機械強度の大きな集電体２、６により形成することで、セパレータ１、７の多孔質体としての特質を失うことなく、高度な水マネージメントを行うことができる。
【００３９】
次に、このようなセル構造をもった燃料電池のガス流路１２、１３を構成するセパレータ１、７および集電体２、６の製造方法について説明する。ここでは、ガス流路１２、１３について説明するが、純水流路１０、１１に関しても同様に形成することができる。
【００４０】
まず、ガス流路１２、１３にガスを分配するための外部マニホールド１９に適応するガス流路１２、１３を形成する工程を説明する。図７に示すように、集電体２、６に用いる部材により形成した集電体平板１４、１５に等間隔を空けてガス流路１２、１３となるスリット部２０を打ち抜く。ここでは、セパレータ１、７面に対して集電体平板１４、１５を一方向に大きく形成し、集電体平板１４，１５面の中央には、大きくした方向に延びるスリット部２０を形成する。図７（ａ）には縦方向に、図７（ｂ）では横方向に延びる流路を形成している。例えば図７（ａ）に示した流路をアノード側のガス流路１２とした場合には、図７（ｂ）に示した流路はカソード側のガス流路１３となる。
【００４１】
このように構成すると、スリット部２０を打ち抜いた後にもガス流路１２、１３の端部は閉口しており、集電体２、６を構成する四角柱２ａ、６ａは互いに連なっている。一体の集電体２、６をセパレータ１、７に固定してから流路１２、１３の両端部に位置する在外部を切り落とすことにより、それぞれのガス流路１２、１３の両端を開口する。セパレータ１、７に固定される以前は在外部により四角柱２ａ、６ａを固定し、セパレータ１、７面に固定した後に在外部を切り落とすことで、容易に、且つ、正確にガス流路１２、１３を形成することができる。
【００４２】
また、セパレータ１、７面を往復するガス流路１２、１３を形成する場合を、図７（ｃ）に示す。このときは、ガス流路１２、１３は略Ｕ字形状となるので、集電体２、６を形成する四角柱２ａ、６ａも略Ｕ字形状となる。
【００４３】
集電体平板１４、１５に略Ｕ字形状のスリット部２０を形成する。このとき、集電体平板１４、１５をセパレータ１、７面より大きく形成し、スリット部２０は端部を除いて平板面内に形成する。これにより隣り合う略Ｕ字形状の四角柱２ａ、６ａの位置を固定することができる。
【００４４】
セパレータ１、７面に集電体２、６を固定した後にはガス流路１２、１３の入口部および出口部を開口するために集電体平板１４、１５の在外部を切り落とす。このとき、入口部、出口部は同じ端部に形成することができるので、一端を切り落とすだけでガス流路１２、１３を容易に形成することができる。
【００４５】
次に、ガス流路１２、１３にガスを分配するマニホールドとして図８に示すような内部マニホールド１６を適用する場合のガス流路を形成する工程を説明する。
【００４６】
ここでは、ガス流路１２、１３を階段状に形成し、例えば図８（ａ）に示すように入口部をセパレータ１または７面の上端左部に形成し、出口部を下端右部に形成する。このとき、入口部、出口部はそれぞれセパレータ１、または７面の上端左部および下端右部に形成した、積層方向に延びる内部マニホールドとなる打ち抜き部１６に接続する。この打ち抜き部１６は、集電体平板１４、１５をセパレータ１または７に固定した後に打ち抜く。
【００４７】
ガス流路１２、１３は複数の流路を平行に形成したものであり、それぞれの流路を分割している。しかし、ガス流路１２、１３と同形の階段状の四角柱２ａ、６ａは、集電体平板１４、１５とセパレータ１、７を固定する段階では打ち抜き部分１６によりセパレータ１、７面に対して位置決めされている。よって、集電体平板１４、１５をセパレータ１、７に固定してから打ち抜き部１６を取り除くことで、ガス流路１２、１３を容易に、且つ、正確に形成することができる。
【００４８】
また、図８（ｂ）には、ガス流路１２、１３が一往復半するタイプのものである。これも、入口部、出口部が接続しているうち抜き部１６を、集電体２、６をセパレータ１、７に固定した後に取り除くことでガス流路１２、１３を確保することができる。
【００４９】
ここで、セパレータ１、７には多孔質平板を用いているが、集電体２、６にはソリッドプレートまたは、多孔質平板のどちらを用いてもよい。ただし、多孔質平板を用いる場合には、ガス流路１２、１３を形成する際にポーラス部を維持するだけの強度を持ったものとする。
【００５０】
次に、このように形成した際に、例えば外部マニホールド１９を用いた場合に外部マニホールド１９からガスが漏れるのを防ぐための工程を説明する。
【００５１】
図９に示すように、セパレータ１、７に、またはセパレータ１、７および集電体２、６に多孔質体を用いた場合には、ガス流路１２（１３）を流れるガスがガス流路１３（１２）に漏れる可能性がある。例えば図９においては、アノードガスを分配するアノード側マニホールド１９が、カソード側のガス流路１３を形成するカソード側のセパレータ７により構成される部分から、アノードガスがセパレータ７のポーラスを介してガス流路１３に漏れる可能性がある。また、カソードガスについても同様にアノード側のガス流路１２に漏れる可能性がある。
【００５２】
そこで本実施形態では、図１０に示すように、セパレータ１、７がマニホールド１９に面する部分をガス不透過となるようにする。例えば、図１０（ａ）においては、セパレータ１、７のガス流路１２、１３に平行な端部および集電体２、６のマニホールド１９に面する部分に樹脂を含浸する。これにより、ポーラス部が樹脂により塞がるので、マニホールド１９からガスが漏れるのを確実に防ぐことができる。また、図１０（ｂ）においては、セパレータ１、７の端部をソリッドな部材で構成することで、マニホールド１９からのガスが漏れるのを確実に防ぐことができる。
【００５３】
このようにガス流路１２、１３となる部分を打ち抜き、ガス漏れを防ぐ工程を施した集電体平板１４、１５を図１１に示すようにセパレータ１、７面に固定する。多孔質体より形成されたセパレータ１、７と集電体平板１４、１５を張り合わせる際には、例えば銀を練りこんだ接着剤のような、導電性の接着剤を使用する。このように接着剤により固定することで、ガス流路１２、１３のそれぞれの流路断面積を確保することができる。また、導電性の接着剤を使用することにより、図１１（ａ）に示すようにセパレータ１、７と集電体２、６の対向する面全体に接着剤を塗布しても集電体２、６の機能が低下するのを防ぐことができる。また、図１１（ｂ）に示すように、集電体２、６が多孔質体で形成されている場合には、一部にだけ接着剤を塗布することで、集電体２、６の多孔質体としての特性、例えば凝縮した水の吸収や、ガスの湿度制御等を維持することができる。または、図１１（ｃ）に示すように集電体２、６に多孔質体を用いる場合には、接着剤も多孔質体のものを用いることで、多孔質体の特性を保持することができる。
【００５４】
セパレータ１、７と集電体平板１４、１５を接着し、ガス流路１２、１３の形状を一時的に固持してから、集電体２、６を固持している端部を切り落とすことによりガス流路１２、１３を形成する。このように構成したときの燃料電池内の燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れを図１２を用いて説明する。
【００５５】
ガス供給側の外部マニホールド１９内でのガスの流れ方向に沿って並ぶガス流路１２、１３の入口部からガス流路１２、１３へ燃料ガスまたは酸化剤ガスが分配される。ガス流路１２、１３に沿って流れて、出口部からガス排出側の外部マニホールド１９に排出される。このとき、従来のように（図４）複雑な流路を必要としないので、内部圧力損失が小さなものとなり、燃料電池へガスを供給するための圧力を小さくすることができる。
【００５６】
このように、セパレータ１、７と集電体２、６を別々の部品とすることにより、流路加工に精巧な加工を施すことなくガス流路１２、１３を形成することができるので、ＮＣ工作機械を用いる必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、セパレータ１、７を比較的加工工数の少ない平板により形成することができるので、機械強度の小さな多孔質体を用いても薄肉化が可能となる。
【００５７】
また、ガス流路１２、１３および純水流路１０、１１を、ソリッド平板または多孔質平板の平面内部にスリットを開けることにより四角柱２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂを形成し、セパレータ１、７と重ね合わせてから四角柱２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂの端部を固持している部分を切り落とすことにより形成する。これにより集電体２、６を構成する四角柱２ａ、６ａを一本一本並べることなく正確に構成することができるので、生産コストを大幅に低減することができる。また、ガス流路１２、１３およびマニホールド１９を流通する際の内部圧損が小さい流路を形成することができるので、ガスを燃料電池に供給するための圧力を低減することができる。
【００５８】
さらに、セパレータ１、７の外側に純水流路１０、１１を形成することで、ガスがセパレータを介して漏れるのを防ぐことができる。また、ガス流路１２、１３を通るガスの湿度を保つとともに、燃料電池反応で生成された水が過剰になった場合には、その水を吸収するという高度な水マネージメントを行うことができる。
【００５９】
このとき、多孔質体を用いたセパレータ１、７および集電体２、６のマニホールド１９内部に接続している部分を、ガス不透過となる処理を施すことでガス流路１２に酸化剤ガスが、ガス流路１３内に水素ガスが混入するのを防ぐことができる。
【００６０】
なお、本発明は上記の実施形態の限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池セルの構成図である。
【図２】多孔質体のバイポーラプレートを用いた燃料電池の構成図である。
【図３】多孔質体のバイポーラプレートの従来の形成方法を示す図である。
【図４】バイポーラプレートの薄肉化、低コストを図った従来の燃料電池の構成図である。
【図５】本実施形態の燃料電池セルの構成図である。
【図６】本実施形態の純水流路の構成図である。
【図７】本実施形態に用いる外部マニホールドを用いる集電体平板の形状図である。
【図８】本実施形態に用いる内部マニホールドを用いる集電体平板の形状図である。
【図９】多孔質体セパレータを用いた燃料電池の構造を説明する図である。
【図１０】一部ガス不透過とした場合のバイポーラプレートの構成図である。
【図１１】セパレータに集電体を固着させる際の説明図である。
【図１２】本実施形態におけるガス流路の説明図である。
【符号の説明】
１、７ セパレータ
２、６ 集電体
３、５ ガス拡散層（電極）
４ 電解質膜
１０、１１ 純水流路
１２、１３ ガス流路
１４、１５ 集電体平板（平板）
１６ 打ち抜き部
１９ マニホールド
２０ スリット部
Claims (4)
- アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、
平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、
前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、
を備える燃料電池を製造する方法において、
前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有し前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットが在外部まで達するように形成する工程と、
前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池製造方法。 - アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、
平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、
前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、
前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドと、
を備え、
前記セパレータおよび前記集電体の前記マニホールド内面を構成する面に、ガス不透過の処理を施した、
燃料電池を製造する方法において、
前記集電体となる平板の平面内部に、前記ガス流路になる複数のスリットを打ち抜き形成する工程と、
前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットの端部を含む部分を前記セパレータ面に垂直に打ち抜いて、その打ち抜き部分が、前記ガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを分配するマニホールドになるように形成する工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池製造方法。 - アノード極に供給した燃料ガスと、カソード極に供給した酸化剤ガスを用いて電極間で電気化学反応を生じることにより起電力を生じ、
平板形状の多孔質体よりなるセパレータと、そのセパレータに配置された複数の四角柱と、を含み、四角柱自体を集電体にするとともに四角柱の隙間をガス流路にし、四角柱側を対向させて前記電極に配置されるバイポーラプレートと、
前記バイポーラプレートの外向面に形成された純水流路と、
を備える燃料電池を製造する方法において、
前記セパレータ面よりも大きくセパレータ面に重ねたときにハミ出して位置する在外部を有する平板の平面内部に、前記純水流路になる複数のスリットが在外部まで達するように打ち抜き形成する工程と、
前記スリットの形成された平板を前記セパレータ面に固定してから、前記スリットが達している在外部を切り落とすことにより、前記セパレータの端部にスリット開口を形成し、その開口を前記セパレータの外部に備えられ前記純水流路に純水を分配するマニホールドと連通するための開口にする工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池製造方法。 - 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池製造方法において、
前記セパレータと前記平板とを導電性の接着剤により固定する工程を備えた、
ことを特徴とする燃料電池製造方法。
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