(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで挟持して構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して単位燃料電池を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタックにおいて、前記一対のセパレータ間には前記電極膜構造体の電極反応面からアノード側拡散電極又はカソード側拡散電極の外周部分への反応ガスの漏れを防止するために接着性シールを設け、隣接する単位燃料電池の隣接するセパレータ間には非接着性シールを設け、単位燃料電池ごとでの交換作業を行ない易くしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記非接着性シールは、前記接着性シールを圧着して加熱し硬化させたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、前記非接着性シールは、前記接着性シールを圧着して加熱し硬化させることで製造されることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した単位燃料電池を複数個積層して構成された燃料電池スタックに係るものであり、特に、単位燃料電池ごとでの交換作業等が行ない易い燃料電池スタック及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックの中には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成されたものがある。上記単位燃料電池はアノード側拡散電極の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード側拡散電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
この一例を図１５によって説明すると、図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１を両側からガス拡散電極（アノード側拡散電極とカソード側拡散電極）２，３で挟持して燃料電池セル４が構成されている。この燃料電池セル４は周縁に配置されたカーボンプレート５を介して、セパレータ６，６により挟持され、これらセパレータ６と燃料電池セル４とはシート状の両面接着剤７により接合されて単位燃料電池を構成し、これら単位燃料電池が複数個積層されて燃料電池スタックを構成するようになっている（特開平９−２８９０２９号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池スタックにあっては、前記シート状の両面接着剤７により簡単に各燃料電池セル４とセパレータ６，６とを接着して単位燃料電池を構成し、更に、これら単位燃料電池を簡単に積層することができるが、例えば、組立て時において一部の固体高分子電解質膜１あるいはセパレータ６を交換する必要が生じた場合に、その部位に対応する両面接着剤７の部位で両者を剥がして分解しなければならず、作業に手間がかかるという問題がある。
上記のように両面接着剤７の塗布部位で両部材を剥がすと、当該交換する部位以外の部位にも歪みが生じてしまうという問題がある。
そこで、この発明は、単位燃料電池ごとでの交換作業等が行ない易い燃料電池スタック及びその製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）をアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６）で挟持して単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタックＮ）において、前記一対のセパレータ間には前記電極膜構造体の電極反応面からアノード側拡散電極又はカソード側拡散電極の外周部分への反応ガスの漏れを防止するために接着性シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を設け、隣接する単位燃料電池の隣接するセパレータ間には非接着性シール（例えば、実施形態における液状シールＳ１）を設け、単位燃料電池ごとでの交換作業を行ない易くしたことを特徴とする。
【０００６】
このように構成することで、積層された各単位燃料電池間においては、隣接するセパレータ間に非接着性シールが使用されているため、この部分において容易に両セパレータを分離して、単位燃料電池を取り外することができる。このように単位燃料電池を取り外す場合には、一対のセパレータ間には接着性シールが使用されているため電極膜構造体との間において剥離が生ずることはない。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載のものであって、前記非接着性シールは、前記接着性シールを圧着して加熱し硬化させたものであることを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、前記非接着性シールは、前記接着性シールを圧着して加熱し硬化させることで製造されることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の実施形態の燃料電池スタックＮを示すものである。
上記燃料電池スタックＮは、燃料電池セル（電極膜構造体）１２とこれを挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とで構成される単位燃料電池１０が複数個積層されたものである。燃料電池スタックＮの単位燃料電池１０の積層方向の両端部には第１及び第２エンドプレート８０，８２が配置されタイロッド８４を介して前記第１及び第２エンドプレート８０，８２が一体的に締め付け固定されている。
【０００８】
そして、第１エンドプレート８０には、後述する出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する孔部９４が形成されると共に、前記第１エンドプレート８０に継手９６を介して前記孔部９４に連通するマニホールド管体９８が接続されている。また、第１エンドプレート８０には、後述する出口側燃料ガス連通孔３６ｂに連通する孔部１０４が形成され、この孔部１０４には、上述したマニホールド管体９８と同様に構成されるマニホール管体１０６が連結されている。
【０００９】
前記第１，第２セパレータ１４，１６とともに単位燃料電池１０を構成する燃料電池セル１２は、図２、図３に示すように固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２とを有するとともに、前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２６が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜１８としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極２０、アノード電極２２はＰｔを主体としたものである。尚、上記カソード電極２０と第１ガス拡散層２４とでカソード側拡散電極が構成され、上記アノード電極２２と第２ガス拡散層２４とでアノード側拡散電極が構成される。
【００１０】
固体高分子電解質膜１８には、これを挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２の外周からはみ出すはみ出し部１８ａが設けられ、このはみ出し部１８ａに対応する位置に両側から第１及び第２セパレータ１４，１６に塗布された後述する液状シールＳが直接密着するようになっている。
【００１１】
図４に示すように、第１セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。
第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。
【００１２】
また、第１セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００１３】
図２に示すように、第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。
【００１４】
図４に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００１５】
図５、図６に示すように、第２セパレータ１６の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
前記第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１６】
図３、図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１７】
ここで、図５に示すように、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜１８を挟持する第２セパレータ１６のアノード電極２２に対向する面１６ａに溝部２８が設けられ、この溝部２８に接着性の液状シール（接着性シール）Ｓが塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３０が形成され、この溝部３０にも接着性の液状シール（接着性シール）Ｓが塗布されている。但し、溝部３０については、溝部２８に塗布した接着性シールにより第１セパレータ１４と第２セパレータ１６が一体に接着されているため、非接着性のシールを用いても良い。
ここで、前記入口側冷却媒体連通孔４０ａと出口側冷却媒体連通孔４０ｂとの周囲の溝部３０は、各々第１冷却媒体連結流路７６、第２冷却媒体連結流路７８を囲むように形成されている。
【００１８】
また、前記第２セパレータ１６と共に燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａにも、図２に示すように前記第２セパレータ１６の面１６ａの溝部２８及び溝部３０に対応する位置に、溝部２８及び溝部３０が形成され、各溝部２８，３０には接着性の液状シール（接着性シール）Ｓが塗布されている。したがって、図３、図７に示すように、これら燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との溝部２８，３０に塗布された各液状シールＳが、溝部２８の液状シールＳにあっては前記はみ出し部１８ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し燃料電池セル１２の周囲をシールし、溝部３０の液状シールＳにあっては互いに密着して各連通孔３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂの周囲をシールするようになっている。
【００１９】
図６に示すように、前記第２セパレータ１６の面１６ｂには、複数の単位燃料電池１０を積層した際に前記第１セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられ、この溝部３４に非接着性の液状シール（非接着性シール）Ｓ１が塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成され、この溝部３５には非接着性の液状シール（非接着性シール）Ｓ１が塗布されている。
【００２０】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４、第２燃料ガス連結流路６６を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は前記第１セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。
【００２１】
このようにして、単位燃料電池１０を積層した場合に、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲で第２セパレータ１６側の各液状シールＳ１が第１セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との水密性を確保している。
【００２２】
ここで、前記液状シールＳ、Ｓ１は熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化するものである。ここで、前記接着性のシールである液状シールＳとしては、例えば、後述する側鎖に接着に関与する水酸基を有する熱硬化型フッ素系シール剤や熱硬化型シリコンシール剤を使用することができ、前記非接着性のシールである液状シールＳ１としては、例えば、後述する熱硬化型フッ素系シール剤を使用することができる。
【００２３】
このように構成される単位燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
単位燃料電池１０には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気又は酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、更にその発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。単位燃料電池１０の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図３に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。
【００２４】
第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６０に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、図５に示す第２燃料ガス流路溝６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に図２に示す出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。
【００２５】
また、単位燃料電池１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、図３に示すように第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、図２に示すように第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、単位燃料電池１０で発電が行なわれ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００２６】
更にまた、単位燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図２に示すように入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図６に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。
【００２７】
次に、第１，第２セパレータ１４，１６の積層手順の各態様について説明する。尚、以下の説明では溝２８及び溝３４に塗布される液状シールＳ，Ｓ１について説明し、溝２８に液状シールＳが塗布される際に同様に溝３０に塗布される液状シールＳと、溝３４に液状シールＳ１が塗布される際に同様に溝３５に塗布される液状シールＳ１についての説明は省略する。
また、液状シールＳ，Ｓ１が円形断面で示す場合は塗布した状態を示し、４角（図７に示す場合）又は６角形断面で示す場合は圧着して硬化した状態を示す。そして、以下の説明中に非接着と説明するものには後述する低接着性のものを含むこととする。
【００２８】
図８に示す第１の態様では、先ず第２セパレータ１６の面１６ｂの溝３４に液状シールＳ１を塗布する。この液状シールＳ１は接着性のシールである。次に、テフロンコーティングを施した離型治具Ｒ（鎖線で示す）を用いて、上記溝３４に塗布した液状シールＳ１を圧着して加熱し硬化させる。これにより、上記接着性のシールが硬化することで溝３４に対しては接着（Ｓａ側）している液状シールＳ１は離型治具Ｒ側（Ｓｂ側）では、後述するようにせん断接着強さが小さくなり非接着性のシールとなる。ここで、上記非接着シール、接着シールは、使用される時点におけるせん断接着強さにより判別されるのであって、接着剤の種類により分類するものではない。
そして、この第２セパレータ１６の溝２８側に液状シールＳを塗布し、もう一方の液状シールＳを溝２８に塗布した第１セパレータ１４との間で燃料電池セル１２を挟持して、各液状シールＳで固体高分子電解質膜１８を挟みこんだ状態で液状シールＳを加熱して硬化することにより単位燃料電池１０の組み付けを終える。
【００２９】
したがって、この態様は燃料電池スタックＮの製造方法として以下のように表すことができる。
固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）をアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における一方の第１セパレータ１４と他方の第２セパレータ１６）で挟持して単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタックＮ）の製造方法において、他方のセパレータの面であって、隣接する一方のセパレータ側の面（例えば、実施形態における面１６ｂ）の所定位置（例えば、実施形態における溝３４）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ１）を塗布し、離型性のある治具（例えば、実施形態における離型治具Ｒ）により前記接着性シールを圧着して加熱硬化し上記接着性シールを非接着性の液状シールとし、次いで、上記他方のセパレータの面であって、電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１６ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、前記一方のセパレータの面のうち電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１４ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に塗布した接着性の液状シールとの間で電極膜構造体を挟持して加熱硬化し、これらを積層したことを特徴としている。
【００３０】
このように構成することで、他方のセパレータの液状シールとこれに積層される一方のセパレータとが容易に剥がれるため分解再組立が容易となる効果がある。
【００３１】
したがって、上記ユニットを積層して燃料電池スタックＮを製造した場合に、前記離型治具Ｒを用いて圧着固化した液状シールＳ１の部分では、第１セパレータ１４を容易に剥がすことができるため、例えば、特定の固体高分子電解質膜１８を交換しなければならないような場合や、第１セパレータ１４、第２セパレータ１６を交換しなければならないような場合に単位燃料電池１０ごと取り付け、取り外しができ、分解再組立てを容易に行なうことができるリビルド性に優れている。ここで燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間には接着性の液状シールＳが用いられているため、分解再組立て時にこの部分において剥がれを起こすようなことはない。
また、上記液状シールＳ１は第２セパレータ１６の溝３４に接着されているので、これが組付時に脱落することはない。
【００３２】
次に、図９に示す第２の態様を説明する。先ず、第２セパレータ１６の面１６ｂの溝３４に非接着性のシールである液状シールＳ１を塗布する。次に、第２セパレータ１６の面１６ｂに第１セパレータ１４を面１４ｂを重ね合わせて、液状シールＳ１を硬化する。そして、第２セパレータ１６の面１６ａの溝２８に接着性のシールである液状シールＳを塗布して、予め溝２８に液状シールＳを塗布した第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に燃料電池セル１２を挟持して液状シールＳを加熱して硬化させ、単位燃料電池１０を組立てることができる。
【００３３】
したがって、この態様は燃料電池スタックＮの製造方法として以下のように表すことができる。
固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）をアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における一方の第１セパレータ１４と他方の第２セパレータ１６）で挟持して単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタックＮ）の製造方法において、他方のセパレータの面であって、隣接する一方のセパレータ側の面（例えば、実施形態における面１６ｂ）の所定位置（例えば、実施形態における溝３４）に、非接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ１）を塗布し、ここに一方のセパレータを重ね合わせ、前記液状シールを硬化し、他方のセパレータの面であって、電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１６ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、この前記一方のセパレータの面のうち電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１４ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に塗布した接着性の液状シールとの間で燃料電池セル１２を挟持して加熱硬化し、これらを積層したことを特徴としている。
【００３４】
このように構成することで、他方のセパレータの液状シールとこれに積層される一方のセパレータとが容易に剥がれるため分解再組立が容易となる効果がある。
【００３５】
したがって、この態様においても上記ユニットを積層して燃料電池スタックＮを製造した場合に、隣接する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とが非接着性のシールである液状シールＳ１によりシールされているため、この部位を境にした分解再組立てが容易である。また、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間には接着性の液状シールＳが用いられているため、この部分において剥がれを起こすようなことはない。
【００３６】
次に、図１０に示す第３の態様を説明する。先ず、第１セパレータ１４の溝２８に接着性のシールである液状シールＳを塗布し、第２セパレータ１６の面１６ａの溝２８に接着性のシールである液状シールＳを、また、面１６ｂの溝３４に非接着性のシールである液状シールＳ１を塗布する。そして、燃料電池セル１２と第２セパレータ１６とを第１セパレータ１４で挟持して複数組積層後加熱して硬化する。
【００３７】
したがって、この態様は燃料電池スタックＮの製造方法として以下のように表すことができる。
固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）をアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における一方の第１セパレータ１４と他方の第２セパレータ１６）で挟持して単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタックＮ）の製造方法において、一方のセパレータの面のうち電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１４ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、他方のセパレータの面であって、隣接する一方のセパレータ側の面（例えば、実施形態における面１６ｂ）の所定位置（例えば、実施形態における溝３４）に非接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ１）を塗布し、他方のセパレータの面であって、電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１６ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、電極膜構造体と他方のセパレータとを一方のセパレータ間で挟持して複数組積層した状態で加熱硬化することを特徴としている。
【００３８】
このように構成することで、他方のセパレータの液状シールとこれに積層される一方のセパレータとが容易に剥がれるため分解再組立が容易となる効果がある。また，前記第１、第２の態様のように工程を２つに分けることなく１度に接着性と非接着性の液状シールを硬化できるため工程を削減することができ、生産性に優れているという効果がある。
【００３９】
したがって、この態様においても上記ユニットを積層して燃料電池スタックＮを製造した場合に、隣接する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６とが非接着性のシールである液状シールＳ１により接着されているため単位燃料電池１０ごとの分解再組立てが容易である。また、燃料電池セル１２を挟持している液状シールＳにおいては剥離が生じることがないため、この部位において剥がれが生ずることはない点は前記各態様と同様である。この態様においては、先の第１、第２の態様のように工程を２つに分けることなく１度に液状シールＳ，Ｓ１を硬化できるので工程を削減することができ生産性に優れている。
【００４０】
次に、図１１に示す第４の態様を説明する。先ず、第２セパレータ１６の面１６ａの溝２８に接着性のシールである液状シールＳを塗布する。そして、この第２セパレータ１６と、予め接着性のシールである液状シールＳを溝２８に塗布した第１セパレータ１４とにより、燃料電池セル１２を挟持して前記両液状シールＳを接着後加熱して硬化させ単位燃料電池１０を組立てる。そして、第２セパレータ１６の面１６ｂの溝３４に非接着性のシールである固体シールＫＳ１をセットする。尚、この固体シールＫＳ１は溝３４に対して接着することができる。
【００４１】
したがって、この態様は燃料電池スタックＮの製造方法として以下のように表すことができる。
固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）をアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における一方の第１セパレータ１４と他方の第２セパレータ１６）で挟持して単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を形成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成される燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタックＮ）の製造方法において、他方のセパレータの面であって、電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１６ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、一方のセパレータの面のうち電極膜構造体側の面（例えば、実施形態における面１４ａ）の所定位置（例えば、実施形態における溝２８）に接着性の液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を塗布し、これら一方のセパレータと他方のセパレータとにより電極膜構造体を挟持して両液状シールを互いに接着後加熱して硬化し、他方のセパレータの面であって、隣接する一方のセパレータ側の面（例えば、実施形態における面１６ｂ）の所定位置（例えば、実施形態における溝３４）に一方のセパレータ側の面が非接着性の固体シール（例えば、実施形態における固体シールＫＳ１）をセットし、これらを積層することを特徴としている。
【００４２】
このように構成することで、他方のセパレータの固体シールとこれに積層される一方のセパレータとが容易に剥がれるため分解再組立が容易となる効果がある。また、固体シールは、外部で予め成形しているため、組立て時において所定位置にセットするだけでよく、液状のシールを用いた場合のように塗布する工程が省略でき生産性を向上できる。
【００４３】
したがって、この態様においても、上記ユニットを積層して燃料電池スタックＮを製造した場合に、固体シールＫＳ１において容易に分解再組立てが可能となるため、単位燃料電池１０ごとの交換が容易となりリビルド性に優れている。また、この固体シールＫＳ１は外部で予め成形してこの溝３４にセットするだけで済むので、液状シールを用いた場合のように塗布する工程が省略でき生産性を向上できる。
そして、燃料電池セル１２を挟持する部分においては接着性のシールである液状シールＳを用いているため、この部分において分解再組立ての際に剥がれを起こすようなことはない。
このようにして、上述した態様で積層された第１セパレータ１４、燃料電池セル１２及び第２セパレータ１６を複数組積層して前記第１、第２エンドプレート８０，８２により締め付けて燃料電池スタックＮを組立てるのである。
【００４４】
ここで、図１２、図１３に示すように、２つのセパレータＳＰが液状シールＳＳにより接着された場合におけるせん断強度測定を行なった。測定は２つのセパレータＳＰの長さ方向における重合しろを２０ｍｍ、幅方向における重合しろを２５ｍｍに設定し、長さ方向で引張り速度５０ｍｍ／ｍｉｎで行なった。
尚、使用された液状シール剤及びセパレータ材を表１に示す。ここで、シール剤は熱硬化型フッ素系シール剤１と熱硬化型フッ素系シール剤２は１２０℃で３時間で硬化させた。また、熱硬化型シリコンシール剤は１２０℃で１時間で硬化させた。一方、セパレータ材は、モールドカーボンはカーボン粉８０％でフェノール樹脂２０％のものを使用し、焼成カーボンは焼成カーボン板を切削加工したものを使用した。
【００４５】
【表１】
0003673145.tif 000002
【００４６】
実験結果を図１４に示す。図１４は縦軸にせん断接着強さ（ｋｇｆ／ｃｍ２）を、横軸に使用した材料を示したものである。この実験結果によれば、熱硬化型フッ素系シール剤１を用いた場合には、セパレータの材料としてモールドカーボン、焼成カーボン、ＳＵＳ３１６（ステンレス材）、ＡＬのいずれを用いた場合であっても、塗布した後加熱して硬化させてから上記の引張り速度でテストした際にセパレータは破損してもどの接着部位においても剥がれは生じなかった。また、熱硬化型シリコンシール剤（付加反応タイプ）を用いた場合でも同様の結果が得られた。
【００４７】
ここで、上記熱硬化型シリコンシール剤を用いた場合には、モールドカーボン、燒結カーボンに対するせん断接着強さは最低で２ｋｇｆ／ｃｍ２であったので、単位燃料電池もしくは数組の単位燃料電池単位でモジュール化する場合に、セパレータとのせん断接着強さが２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であれば、取り扱い上剥離することなく積層、脱着が可能と判断できる。つまり、接着性シールとはせん断接着強さが２ｋｇｆ／ｃｍ２以上のものを示す。
【００４８】
一方、熱硬化型フッ素系シール剤２においては接着官能基をほとんど有さないタイプを使用したので、実際に焼成カーボンセパレータやモールドカーボンセパレータに塗布し、単位燃料電池として液状シールを硬化させて組立てた後に手でセパレータを横方向に引き剥がそうとすると簡単に引き剥がせた。
上記熱硬化型フッ素系シール剤２の上記各セパレータ材に対するせん断接着強さは、０〜０．５ｋｇｆ／ｃｍ２であることから、０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であれば、燃料電池スタックに不良が発覚したとしても、容易に不良な単位電池１０を取り除くことができる。
すなわち、非接着シールとはせん断接着強さが０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であるものを示す。また、せん断接着強さが０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲はものは低接着シールとして非接着シールに含めるものとする。
【００４９】
ここで、前述したように上記非接着シール、接着シールは、使用される時点におけるせん断接着強さにより判別されるのであって、接着剤の種類により分類するものではない。したがって、塗布した後その部分にセパレータを密着して加熱硬化した場合にせん断接着強さが２ｋｇｆ／ｃｍ２以上である接着性のシール材であっても、塗布して加熱硬化した後一定時間放置してから、セパレータを密着して使用すると、その部分におけるせん断接着強さが２ｋｇｆ／ｃｍ２よりも小さくなっている場合には、非接着性シール（低接着シール）となるのである。
【００５０】
上記実施形態によれば、前記第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間には燃料電池セル１２を介して前記燃料電池セル１２の電極反応面を構成するアノード電極２２及び第２拡散層２６と、カソード電極２０及び第１拡散層２４との外周部分への反応ガスの漏れを防止するために接着性のシールである液状シールＳを設け、隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には非接着性のシールである液状シールＳ１、あるいは、固体シールＫＳ１を設けたため、積層された前記単位燃料電池１０間においては、非接着性のシールである液状シールＳ１を塗布している部分において互いに隣接する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６を容易に分離することができる。
【００５１】
したがって、例えば、第１セパレータ１４、第２セパレータ１６が破損するなどして単位燃料電池１０を交換しなければならないような場合に、隣接する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間において上記分解再組立てを容易に行なうことができるリビルド性に優れている。尚、ここで燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間には接着性の液状シールＳが用いられているため、分解再組立て時にこの部分において剥がれを起こすようなことはない。
【００５２】
また、前記固体高分子電解質膜１８の周囲に設けたはみ出し部１８ａに直接的に密着する液状シールＳが固体高分子電解質膜１８と第１，第２セパレータ１４，１６との間で形状変化してシール寸法のバラツキに追従し、各溝部２８，３０，３４，３５内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６と燃料電池セル１２との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができる。
したがって、液状シールＳによる寸法誤差に対する追従性の良さから、第１，第２セパレータ１４，１６や燃料電池セル１２のとりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができる。
【００５３】
また、第１，第２セパレータ１４，１６の溝部２８に塗布された液状シールＳは、溝部２８内で一定の幅を維持した状態で、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着して、シール寸法に応じて変形することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６により燃料電池セル１２を挟持するだけで、シール部分における気密性を確保できる。
【００５４】
そして、第１，第２セパレータ１４，１６と固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａとの間のシール寸法のバラツキを液状シールＳが吸収することにより、各セパレータ１４，１６に偏った力が作用するのを防止できるため、各セパレータ１４，１６の薄肉化を図ることができ、全体として軽量かつ小型化することができる。よって配置スペースに制限があり、できる限り各セパレータ１４，１６を薄型化する必要がある車両用として用いられた場合に好適である。
【００５５】
また、液状シールＳを固体高分子電解質膜１８に対して直接的に密着させるため、例えば、燃料電気セル１２の周囲に額縁状の枠体を設ける場合に比較して部品点数、組付け工数を削減できる点で有利である。そして、固体高分子電解質膜１８に対する液状シールＳの面圧も均一になり、固体高分子電解質膜１８が偏った力を受けることもない。尚、固体高分子電解質膜１８が波を打ったような場合でもこれに合わせて変形できるため、固体高分子電解質膜１８にしわが発生するようなこともない。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、積層された前記単位燃料電池間においては、隣接するセパレータ間に非接着性シールが使用されているため、この部分において容易に両セパレータを分離することができるため、例えば、燃料電池スタックを組立てた後において、単位燃料電池を交換したいような場合においても容易に該当する単位燃料電池を取り外すことができ、リビルド性に優れているという効果がある。また、このように単位燃料電池を取り外す場合には、一対のセパレータ間には接着性シールが使用されているため電極膜構造体との間において剥離が生ずることはなく、問題がない単位燃料電池内において各拡散電極とセパレータとの間で剥離が起きることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態の全体組立図である。
【図２】  この発明の実施形態の要部分解斜視図である。
【図３】  図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】  この発明の実施形態の第１セパレータの図２のＢ矢視図である。
【図５】  この発明の実施形態の第２セパレータの図２のＣ矢視図である。
【図６】  この発明の実施形態の第２セパレータの図２のＤ矢視図である。
【図７】  この発明の実施形態の図３の部分拡大図である。
【図８】  この発明の実施形態の積層手順の第１態様を示す説明図である。
【図９】  この発明の実施形態の積層手順の第２態様を示す説明図である。
【図１０】  この発明の実施形態の積層手順の第３態様を示す説明図である。
【図１１】  この発明の実施形態の積層手順の第４態様を示す説明図である。
【図１２】  実験状況を示す側面説明図である。
【図１３】  図１２のＸ矢視図である。
【図１４】  実験結果を示すグラフ図である。
【図１５】  従来技術の断面図である。
【符号の説明】
１０  単位燃料電池
１２  燃料電池セル（電極膜構造体）
１４  第１セパレータ
１６  第２セパレータ
１８  固体高分子電解質膜
２０  カソード電極
２２  アノード電極
２４  第１ガス拡散層
２６  第２ガス拡散層
Ｎ  燃料電池スタック
Ｓ  液状シール（接着性シール）
Ｓ１  液状シール（非接着性シール）
【図１】
0003673145.tif 000003
【図２】
0003673145.tif 000004
【図３】
0003673145.tif 000005
【図４】
0003673145.tif 000006
【図５】
0003673145.tif 000007
【図６】
0003673145.tif 000008
【図７】
0003673145.tif 000009
【図８】
0003673145.tif 000010
【図９】
0003673145.tif 000011
【図１０】
0003673145.tif 000012
【図１１】
0003673145.tif 000013
【図１２】
0003673145.tif 000014
【図１３】
0003673145.tif 000015
【図１４】
0003673145.tif 000016
【図１５】
0003673145.tif 000017