(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の性能を良好に保つことが可能な燃料電池および燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】高分子電解質膜の両面を一対のガス拡散層および当該ガス拡散層の外周を囲う一対のスペーサ２０で挟持し、さらにその両外面を一対のセパレータ６で挟持した構造の単セルが、複数重ねられて形成される燃料電池およびその製造方法であって、セパレータ６とスペーサ２０の接触面の互いに対向する対向面の一方に形成されるシール溝と、シール溝に終端部を離間して配置されるシール剤２２と、前記対向面の他方に、シール剤２２の終端部を跨ぐ加圧部材と、を有し、加圧部材によりシール剤２２の離間した終端部を押圧して終端部同士が結合されていることを特徴とする。【選択図】  図７
2006228484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面を一対のガス拡散層および当該ガス拡散層の外周を囲う一対のスペーサで挟持し、さらにその両外面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが、複数重ねられて形成される燃料電池であって、
前記セパレータと前記スペーサの接触面、および前記隣接する単セル間のセパレータ同士の接触面の少なくとも一方で、かつ、互いに対向する対向面の一方に形成されるシール溝と、
当該シール溝に終端部を離間して配置されるシール剤と、
前記対向面の他方に、前記シール剤の終端部を跨ぐ加圧部材と、を有し、当該加圧部材により前記シール剤の離間した終端部を押圧して当該終端部同士が結合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記シール溝は、複数に分岐する交差部を有し、前記加圧部材は、当該交差部を跨いで位置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記加圧部材は、少なくとも一対の突出部を有し、当該突出部が対向する方向へ向かって高さが低く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記突出部は、当該突出部が対向する方向へ向かって曲率を持って傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
高分子電解質膜の両面を一対のガス拡散層および当該ガス拡散層の外周を囲う一対のスペーサで挟持し、さらにその両外面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが、複数重ねられて形成される燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータと前記スペーサの接触面、および前記隣接する単セル間のセパレータ同士の接触面の少なくとも一方で、かつ、互いに対向する対向面の一方に形成されるシール溝に、シール剤を、当該シール剤の終端部を離間して配置し、
前記対向面の他方に形成される加圧部材により前記シール剤の終端部を押圧して、当該終端部同士を結合させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記シール溝は、複数に分岐する交差部を有し、前記加圧部材は、前記交差部を跨いで位置されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記加圧部材は、少なくとも一対の突出部を有し、当該突出部が対向する方向へ向かって高さが低く形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記突出部は、当該突出部が対向する方向へ向かって曲率を持って傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記シール剤の離間された終端部の間の体積は、前記突出部の体積よりも少ないことを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を構成する単位燃料電池である単セルは、高分子電解質膜の両面が一対のガス拡散層で挟持され、さらにその両外面が一対のセパレータで挟持されている。このセパレータには、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却剤の流路が形成されており、これらの流路を仕切るために、ガス拡散層の外縁からはみ出す高分子電解質膜とセパレータの隙間に、液状シールを線状に塗布して硬化させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、この方法では、シールの材料が高分子電解質およびガス拡散層に浸透し、ガス拡散層におけるガスの拡散を妨げると共に、流路を妨げ、燃料電池の性能を低下させるという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−２４６０４４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の性能を良好に保つことが可能な燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、高分子電解質膜の両面を一対のガス拡散層および当該ガス拡散層の外周を囲う一対のスペーサで挟持し、さらにその両外面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが、複数重ねられて形成される燃料電池であって、前記セパレータと前記スペーサの接触面、および前記隣接する単セル間のセパレータ同士の接触面の少なくとも一方で、かつ、互いに対向する対向面の一方に形成されるシール溝と、当該シール溝に終端部を離間して配置されるシール剤と、前記対向面の他方に、前記シール剤の終端部を跨ぐ加圧部材と、を有し、当該加圧部材により前記シール剤の離間した終端部を押圧して当該終端部同士が結合されていることを特徴とする。
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜の両面を一対のガス拡散層および当該ガス拡散層の外周を囲う一対のスペーサで挟持し、さらにその両外面を一対のセパレータで挟持した構造の単セルが、複数重ねられて形成される燃料電池の製造方法であって、前記セパレータと前記スペーサの接触面、および前記隣接する単セル間のセパレータ同士の接触面の少なくとも一方で、かつ、互いに対向する対向面の一方に形成されるシール溝に、シール剤を、当該シール剤の終端部を離間して配置し、前記対向面の他方に形成される加圧部材により前記シール剤の終端部を押圧して、当該終端部同士を結合させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池は、離間して設けられたシール剤の終端部が加圧部材で押圧して結合されているため、シール剤の量が過大にならず、シール剤の燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路への漏れを防止でき、またシール剤の高分子電解質およびガス拡散層への浸透が抑止され、燃料電池の性能を良好に保つことができる。
【０００８】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池の製造方法は、離間して設けられたシール剤の終端部を加圧部材で押圧して結合させるため、シール剤の量が過大にならず、シール剤の燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路への漏れを防止でき、またシール剤の高分子電解質およびガス拡散層への浸透が抑止されて、性能を良好な燃料電池を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は燃料電池を示す全体斜視図、図２は本実施形態に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図、図３は本実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す図であり、（Ａ）はセパレータを示す平面図、（Ｂ）はセパレータのシール溝にシール剤を塗布した際を示す平面図、図４は実施形態に係る燃料電池のスペーサを示す平面図である。
【００１１】
一般に燃料電池１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての単セル２を所定数積層し、タイロッド３により固定した形態であり、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１２】
単セル２は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができるデバイスであり、図２に示すように、高分子電解質膜４、ガス拡散層５Ａ，５Ｂ、セパレータ６Ａ，６Ｂ、およびスペーサ２０Ａ，２０Ｂを有している。高分子電解質膜４は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層５Ａ，５Ｂは、高分子電解質膜４の両面に配置され、このガス拡散層５Ａ，５Ｂの外周を囲うように、スペーサ２０Ａ，２０Ｂが配置される。セパレータ６Ａ，６Ｂは、ガス拡散層５Ａ，５Ｂおよびスペーサ２０Ａ，２０Ｂの外面に配置される。
【００１３】
セパレータ６Ａには、ガス拡散層５Ａと接する面に酸化剤ガス（酸素）を流通させるための酸化剤ガス流路７が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路８が形成されている。セパレータ６Ｂには、ガス拡散層５Ｂと接する面に燃料ガス（水素）を流通させるための燃料ガス流路９が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための冷却水流路１０が形成されている。
【００１４】
また、セパレータ６には、図３（Ａ）に示すようにタイロッド３が貫通する貫通孔１１と、マニフォルド孔１２が形成されている。
【００１５】
図３のセパレータ６の斜線部には、燃料ガス流路９、酸化剤ガス流路７または冷却水流路８，１０が形成され、この斜線部の外周部にセパレータ６のマニフォルド孔１２が形成される。
【００１６】
マニフォルド孔１２は、図１に示す燃料電池１の冷却水導入口１３および冷却水排出口１４、酸化剤ガス導入口１５および酸化剤ガス排出口１６、燃料ガス導入口１７および燃料ガス排出口１８と連通している。例えば、マニフォルド孔１２Ａは冷却水供給用で、マニフォルド孔１２Ｂは酸化剤ガス供給用で、マニフォルド孔１２Ｃは燃料ガス供給用である。
【００１７】
スペーサ２０と接するセパレータ６Ａ，６Ｂの面には、マニフォルド孔１２およびセパレータ６の外周全体を囲むようにしてシール溝２１が設けられており、このシール溝２１には、マニフォルド孔１２の近傍で複数の溝に分岐する交差部２３が形成されている。
【００１８】
シール溝２１には、図３（Ｂ）に示すようにシール剤２２が塗布されてスペーサ２０とセパレータ６Ａ，６Ｂが密封される。
【００１９】
シール剤２２は、例えばエポキシ樹脂系の熱硬化型樹脂であり、加熱することにより硬化する。シール剤２２は、シール剤２２塗布時の始点部２４、終点部２５および交差部２３において、シール剤２２の終端部が離間して塗布される。
【００２０】
スペーサ２０は、例えばポリエチレンテレフタレート等により形成されている。スペーサ２０には、図４に示すように、セパレータ６Ａ，６Ｂのマニフォルド孔１２に対応してスペーサ部マニフォルド孔２６が形成されている。なお、図４の一点鎖線は、シール剤２２が接する部位を示している。
【００２１】
スペーサ２０の、始点部２４、終点部２５および交差部２３に対応する部位には、加圧部材２８が設けられている。
【００２２】
図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う部分断面図である。
【００２３】
加圧部材２８は、図５に示すように、対の突出部２９を有しており、突出部２９の幅がシール溝２１よりも狭く、高さがシール溝２１の深さよりも低く形成されている。また、対の突出部のそれぞれは、対向する側に向かって高さが低く形成されている。
【００２４】
次に、本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。
【００２５】
図６は本実施形態に係る燃料電池の単セルの成形過程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す要部断面図、（Ｂ）は成形後を示す要部断面図、図７は本実施形態に係る燃料電池の単セルの成形過程を示す図であり、（Ａ）は成形前の加圧部材を示す要部断面図、（Ｂ）は成形後の加圧部材を示す要部断面図である。
【００２６】
初めに、図６（Ａ）に示すように、高分子電解質膜４の両面にガス拡散層５Ａ，５Ｂおよびスペーサ２０Ａ，２０Ｂを重ねる。
【００２７】
次に、セパレータ６Ａ，６Ｂのシール溝２１にディスペンサー等によってシール剤２２を注入する。この際、シール剤２２の始点部２４と終点部２５の間は離間しており、また交差部２３においてもシール剤２２が離間している。
【００２８】
このシール剤２２が離間している部位に形成される凹部３０（図７（Ａ）参照）の体積は、突出部２９の体積よりも少なくなるように設定される。
【００２９】
この後、ガス拡散層５Ａ，５Ｂおよびスペーサ２０Ａ，２０Ｂの外側からセパレータ６Ａ，６Ｂを重ね、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）に示すように、押圧装置（不図示）によりセパレータ６Ａ，６Ｂを厚さ方向に圧縮すると共に、シール剤２２の硬化温度よりも高い温度に加熱する。
【００３０】
このとき、シール剤２２の凹部３０の体積は、突出部２９の体積よりも少ないため、突出部２９がシール剤２２を離間方向へ押し出した際に、シール剤２２の終端部同士が確実に結合される。
【００３１】
また、突出部２９の高さはシール溝２１の深さよりも低いため、突出部２９の先端がセパレータ６Ａ，６Ｂに当接することはなく、シール剤２９が破断されることはない。また、シール溝２１と突出部２９の幅方向の隙間にもシール剤２２が入り込み、確実に密封される。
【００３２】
さらに、シール剤２２が硬化温度よりも高い温度に加熱されることによって硬化し、スペーサ２０Ａ，２０Ｂとセパレータ６Ａ，６Ｂが密封された状態で固定される。
【００３３】
このように、シール剤２２が始点部２４、終点部２５および交差部２３で、シール剤２２を重ねることなく離間させて塗布できるためシール剤２２の量が過大にならず、シール剤２２のシール溝２１からのはみ出しを防止できる。したがって、シール剤２２の高分子電解質膜４やガス拡散層５Ａ，５Ｂへの浸透を防止してガスの拡散を良好に保ち、また燃料ガス等の流路を良好に保つことができ、燃料電池１が良好な性能を発揮することができる。
【００３４】
また、シール剤２２が始点部２４、終点部２５および交差部２３で、シール剤２２を重ねて塗布する必要がないため、密封部（シール剤塗布部）の面積を小さくすることができ、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００３５】
また、突出部２９がシール剤２２を押し出すため、シール剤２２の始点部２４、終点部２５または交差部２３での塗布位置が多少ずれても問題が無く、突出部２９が多く存在するマニフォルド孔１２近傍で水素等が確実に密封されて、水素漏れを確実に防止することができる。
【００３６】
次に、本実施形態の変形例を示す。
【００３７】
図８は、本実施形態に係る燃料電池の加圧部材の変形例を示す部分断面図である。
【００３８】
図８に示すように、スペーサ２０の突出部２９に曲率部３１，３２を設けることができる。このような突出部２９は、流動性の低い高粘度のシール剤２２を用いた場合、特に粘度が１０００Ｐａ・ｓ以上である場合に有効であり、曲率部３１，３２にシール剤２２が追従して移動し易い。
【００３９】
また、突出部２９の面粗度を粗くすることにより、高粘度のシール剤２２の追従性を向上させこともできる。特に、シール剤２２の粘度が５００Ｐａ・ｓ以下の場合には面粗度Ｒａ＝１０以上であることが好ましく、粘度が１０００Ｐａ・ｓ以上の場合には面粗度Ｒａ＝１以下であることが好ましい。
【００４０】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、本実施形態では突出部２９がスペーサ２０に設けられ、シール溝２１がセパレータ６Ａ，６Ｂに設けられているが、逆であっても良い。また、単セル２同士を重ねる場合に、単セル２の間（一方の単セル２のセパレータ６Ａと他方の単セル２のセパレータ６Ｂの間）を密封する場合に適用してもよい。また、セパレータ６の流路の形状や、マニフォルド孔１２の位置や形状が異なってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池を示す全体斜視図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池のセパレータを示す図であり、（Ａ）はセパレータを示す平面図、（Ｂ）はセパレータのシール溝にシール剤を塗布した際を示す平面図。
【図４】実施形態に係る燃料電池のスペーサを示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う部分断面図である。
【図６】本実施形態に係る燃料電池の単セルの成形過程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す要部断面図、（Ｂ）は成形後を示す要部断面図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池の単セルの成形過程を示す図であり、（Ａ）は成形前の加圧部材を示す要部断面図、（Ｂ）は成形後の加圧部材を示す要部断面図である。
【図８】本実施形態に係る燃料電池の加圧部材の変形例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    燃料電池、
２    単セル、
４    膜電極接合体、
５Ａ，５Ｂ    ガス拡散層、
６Ａ，６Ｂ    セパレータ、
１２    マニフォルド孔、
２０Ａ，２０Ｂ    スペーサ、
２１    シール溝、
２２    シール剤、
２３    交差部、
２４    始点部、
２５    終点部、
２８    加圧部材、
２９    突出部、
３０    凹部、
３１，３２    曲率部。
【図１】
2006228484.tif 000003
【図２】
2006228484.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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