(57)【要約】【課題】接着剤やプライマーの使用を不要にできると共にセパレータの発電領域へのシール部材の設置も不要な燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池の製造装置を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池１００は、外周にフレーム部材１５を取り付けたＭＥＡ１１とセパレータ１３、１４とを積層した積層体１０ａと、積層体の積層方向と交差する側方を覆う被覆体２０と、を有し、フレーム部材は、セパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体と、
前記積層体の積層方向と交差する側方を覆う被覆体と、を有し、
前記フレーム部材は、前記セパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記フレーム部材は、流体を流通させる供給口と排出口と、
前記供給口から前記排出口までの経路が周囲よりも前記積層体の積層方向に一段下がった段差部と、を有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記段差部には、燃料または酸化剤を構成する流体が流れる請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
隣接する前記セパレータが当接する部位において前記隣接するセパレータが接合された接合部と、をさらに有する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、前記フレーム部材が前記セパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる前記積層体を準備する準備工程と、
前記積層体を固定型と可動型とを含む型によって形成される空間に配置し、前記積層体の積層方向に加圧力を付与しながら前記空間に溶融した樹脂を流通させて硬化させ、前記積層体の積層方向と交差する方向から前記積層体を覆う被覆体を形成する形成工程と、を備える燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記準備工程では隣接する前記セパレータと前記フレーム部材とを外周において接触させ、前記形成工程において前記積層体を前記積層体の積層方向に加圧した状態で前記被覆体を形成する請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記準備工程では、隣接する前記セパレータに対して突出した形状を有する前記フレーム部材を取り付けた前記膜電極接合体を用意する請求項５または６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記準備工程において、隣接する前記セパレータ同士は接合される請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、前記フレーム部材が前記セパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる前記積層体を収容する空間を形成する成形型と、
前記空間に配置された前記積層体に対して前記積層体の積層方向に加圧力を付与する加圧部と、
前記空間に前記被覆体を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を備える燃料電池の製造装置。
【請求項１０】
隣接する前記セパレータ及び／又は前記フレーム部材は、前記被覆体を形成する際に溶融した樹脂が隣接する前記セパレータと前記フレーム部材を含む前記膜電極接合体の間に形成される流路に流入することを堰き止める堰き止め部を有する請求項９に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項１１】
隣接する前記セパレータと前記フレーム部材とは、外周において接触する接触部が形成され、
前記堰き止め部は、前記接触部を含む請求項１０に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項１２】
前記堰き止め部は、隣接する前記セパレータ及び／又は前記フレーム部材における前記接触部において隣接する前記セパレータに向かって突出する突出部を含む請求項１０または１１に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項１３】
隣接する前記セパレータ同士は、接合される請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、主に膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  以下ＭＥＡと記載）の両側にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層させて構成される。積層されるＭＥＡやセパレータは例えば接着剤などを用いて固定される（特許文献１参照）。接着剤を用いる場合、接着剤が硬化することを待たなければならない。さらに接着剤による固定の効果を向上させるためにプライマーが必要な場合もある。そのため、上記のような接着剤やプライマーを用いずに燃料電池セルを積層した積層体を樹脂によって一体成形する技術がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２０４０３号公報
【特許文献２】特許第４７７１２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に記載の技術では接着剤は用いないものの、ＭＥＡとセパレータの間に溶融された樹脂が流入することを防止するためにセパレータにおける発電領域の外周にシール部材を設置している。そのため、接着剤などの使用を不要にできても上記シール部材の設置作業が必要になり、その分シール部材の部品コストが必要になり、シール部材の設置作業の増加によるコストアップにもなってしまう、といった問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、接着剤やプライマーの使用を不要にできると共にセパレータの発電領域の外周へのシール部材の設置も不要な燃料電池の製造方法、燃料電池の製造装置、及び当該方法により製造した燃料電池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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明は、燃料電池である。当該燃料電池は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体と、積層体の積層方向と交差する側方を覆う被覆体と、を有する。本発明においてフレーム部材は、セパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成する他の本発明は、燃料電池の製造方法である。当該方法は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を準備する準備工程と、積層体を固定型と可動型とを含む型によって形成される空間に配置し、積層体の積層方向に加圧力を付与しながら当該空間に溶融した樹脂を流通させて硬化させ、積層体の積層方向と交差する方向から積層体を覆う被覆体を形成する形成工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する他の本発明は、燃料電池の製造装置である。当該装置は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を収容する空間を形成する成形型と、当該空間に配置された積層体に対して積層体の積層方向に加圧力を付与する加圧部と、前記空間に被覆体を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成を有する本発明に係る燃料電池によれば、積層体の側方に被覆体を配置し、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となるように構成している。セパレータが接触する箇所は燃料電池の電気化学反応によって発生した電力を積層方向に導通させる発電領域であり、フレーム部材がセパレータと当接するのは、発電が行われる領域よりも面方向の外方である。このように、フレーム部材がセパレータと当接する位置をセパレータ同士が接触する位置よりも面方向外方とし、被覆体で積層体の側方を覆うことによって、積層体を流通する燃料や酸化剤が漏出することを防止でき、シール部材を不要にできる。そのため、接着剤やプライマーと共にシール部材を不要にすることができる。
【００１０】
同様に、他の本発明に係る燃料電池の製造方法及び製造装置によれば、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を成形型によって形成した空間に配置した状態で射出部によって当該空間に溶融樹脂を注入して硬化させ、被覆体を形成する。樹脂の注入の際には積層体の積層方向に加圧力を付与した状態で行っているため、隣接するＭＥＡとセパレータとの間を密着させてシール部位を形成することができ、上記と同様に接着剤、プライマー、及びシール部材を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法の中でも被覆体の成形について示す工程ブロック図である。
【図２】図２（Ａ）は、同実施形態に係る燃料電池の製造装置における積層部を示す正面図、図２（Ｂ）は、積層部におけるアームの先端部分を示す拡大図である。
【図３Ａ】同製造装置における成形部を示す斜視図である。
【図３Ｂ】同成形部を示す分解斜視図である。
【図３Ｃ】同製造装置における成形部を示す正面図である。
【図３Ｄ】同製造装置における成形部を示す平面図である。
【図４】図３Ｄの４−４線に沿う断面図である。
【図５】図５（Ａ）は図３Ｄの５Ａ−５Ａ線に沿う断面図、図５（Ｂ）は図３Ｄの５Ｂ−５Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】燃料電池を示す斜視図である。
【図７】同燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図８】図８（Ａ）はフレーム部材を示す正面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）の８Ｃ−８Ｃ線に沿う断面図、図８（Ｄ）はセパレータの隣接するセパレータとの接合箇所について示す正面図である。
【図９】同燃料電池の燃料電池セルを構成するセパレータ及びＭＥＡを示す断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池の製造装置における成形部の変形例を示す斜視図である。
【図１１】図１１（Ａ）は同燃料電池の変形例を示す斜視図、図１１（Ｂ）は正面図である。
【図１２】同燃料電池の成形部の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法の中でも被覆体の成形について示す工程ブロック図、図２（Ａ）は同実施形態に係る燃料電池の製造装置における積層部を示す正面図、図２（Ｂ）は積層部におけるアームの先端部分を示す拡大図である。図３Ａは同製造装置における成形部を示す斜視図、図３Ｂは同成形部を示す分解斜視図、図３Ｃは同製造装置における成形部を示す正面図、図３Ｄは同製造装置における成形部を示す平面図である。
【００１４】
図４は図３Ｄの４−４線に沿う断面図、図５（Ａ）は図３Ｄの５Ａ−５Ａ線に沿う断面図、図５（Ｂ）は図３Ｄの５Ｂ−５Ｂ線に沿う断面図である。図６は燃料電池を示す斜視図、図７は同燃料電池の構成を示す分解斜視図である。図８（Ａ）はフレーム部材を示す正面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ−８Ｂ線に沿う断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）の８Ｃ−８Ｃ線に沿う断面図、図８（Ｄ）はセパレータの隣接するセパレータとの接合箇所について示す正面図である。図９は同燃料電池の燃料電池セルを構成するセパレータ及びＭＥＡを示す断面図である。
【００１５】
本実施形態に係る燃料電池の製造方法について、図１〜図９を参照して概説すれば、まずセパレータ１３、１４とＭＥＡ１１とからなる燃料電池セル１０ｂを所定数積層して積層体１０ａを形成し、さらに積層方向両端部に集電体１６、１７と絶縁部材１８、１９を積層して収容物１０を形成する（ステップＳＴ１）。そして、形成された積層体１０ａを含む収容物１０を成形型に配置し（ステップＳＴ２）、収容物１０を収容した状態で成形型２２８〜２３３を組み立てる（ステップＳＴ３）。その後、樹脂を注入して被覆体２０を形成し（ステップＳＴ４）、離型する（ステップＳＴ５）。ステップＳＴ１が準備工程に相当し、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ５までが被覆体２０の形成工程に相当する。また、本実施形態に係る製造方法では積層体１０ａにおいて隣り合うセパレータ１３、１４が接合されてセパレータアセンブリ１２として構成されている。そして、ＭＥＡ１１には面方向外方にフレーム部材１５が取り付けられている。詳細については後述する。
【００１６】
（燃料電池の製造装置）
次に本実施形態に係る製造方法を使用する燃料電池の製造装置について説明する。燃料電池の製造装置は、積層工程において使用する積層部２１０と、形成工程において使用する成形部２２０と、いずれの工程にも使用される制御部（不図示）と、を有する。
【００１７】
積層部２１０は、ＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を挟持する挟持アーム２１１と、設置台２１８と、を有する。挟持アーム２１１は、固定部２１２と、移動部２１３と、保持部２１４と、搬送部２１７と、を有する。固定部２１２は、側面視した際にＬ字形状に構成され、Ｌ字形状の水平部分においてＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を載置させる。固定部２１２のＬ字状における鉛直部分は保持部２１４に接続される。移動部２１３は、固定部２１２の水平部分と共にＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を挟持する。移動部２１３は、固定部２１２における鉛直部分において固定部２１２と接近離間可能に接続される。ＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９は、固定部２１２の水平部分と移動部２１３とで当接することによって挟持される。
【００１８】
保持部２１４は、保持アーム２１５と、延長部２１６と、を有する。保持アーム２１５は、固定部２１２の鉛直部分と接続され、固定部２１２及び移動部２１３を保持する。延長部２１６は、保持アーム２１５を図２（Ｂ）における水平方向に進退移動可能に接続する構成である。延長部２１６には不図示のモーターとギヤが内蔵され、保持アーム２１５には延長部２１６のギヤと噛合うギヤが内蔵され、モーターの動作によって、保持アーム２１５の進退動作が実現される。但し、保持アーム２１５の進退動作機構はこれに限定されない。
【００１９】
搬送部２１７は、設置台２１８に設置される。設置台２１８には、搬送部２１７が移動するレールが設置され、搬送部２１７は、設置台２１８のレール上を移動する。これにより、挟持アーム２１１は、不図示の部品設置場所からＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７、又は絶縁部材１８、１９を把持して積層体１０ａの積層位置まで搬送して載置し、積層する。
【００２０】
成形部２２０は、図３Ａから図５に示すように、射出部（不図示）と、スプルー２２１と、ランナー２２２〜２２７と、固定型２２８〜２３２と、可動型２３３と、インサート型２３４〜２３９と、押圧シリンダ２４０（加圧部に相当）と、を有する。固定型２２８〜２３２及び可動型２３３は本実施形態において成形型にあたる。射出部は、投入した樹脂を加熱して溶融させ、固定型２２８〜２３２と可動型２３３とによって囲まれた空間２２０ａ内にスプルー２２１及びランナー２２２〜２２７を通じて導入する。射出部は、材料を投入するホッパや樹脂の混練等を行うスクリュなどの構成を備えるが、これらは樹脂の射出成形機において溶融した樹脂を供給する構成と同様であるため、説明を省略する。
【００２１】
スプルー２２１は、射出部から供給された溶融樹脂を固定型２２８〜２３２及び可動型２３３によって囲まれた成形空間２２０ａに向けて移送する流路である。ランナー２２２〜２２７は、スプルー２２１と接続し、かつスプルー２２１から分岐する溶融樹脂の流路である。固定型２２８〜２３２及び可動型２３３によって囲まれる成形空間２２０ａには固定型２２８〜２３２及び可動型２３３を設置する前に予め積層体１０ａを含む収容物１０が設置される。セパレータ１３、１４は、後述のように、波形形状１３ｇ、１４ｇを有し、隣接するセパレータ同士は溶接され、セパレータアセンブリ１２として構成される。セパレータアセンブリ１２を構成するセパレータ１３とセパレータ１４との間であって、その外周部分には、外周凹部２２２ａ〜２２７ａが形成される。ランナー２２２〜２２７は、積層体１０ａの中でも外周凹部２２２ａ〜２２７ａに向かうように配置される。外周凹部２２２ａ〜２２７ａは、被覆体２０の把持部２１ａ〜２１ｆとなる。
【００２２】
固定型２２８は、収容物１０を載置する型である。また、本実施形態では収容物１０の構成として積層体１０ａの積層方向両端部に集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を配置しており、集電体１６、１７の突起形状に応じて固定型２２８の略中央に凹部が形成されているが、これに限定されない。また、固定型２２８には、図３Ｂや図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、インサート型２３４〜２３９を設置して位置決めするための凹部が設けられている。
【００２３】
固体型２２９〜２３２は、積層体１０ａの側方に配置される型である。固定型２２９〜２３２は、固定型２２８の上に載置されて溶融樹脂を流す空間２２０ａを形成する。また、固定型２２９には、ランナー２２２〜２２７が接続されて、固定型２２８〜２３２と可動型２３３とで囲まれる空間２２０ａに溶融樹脂を流すことが出来るように構成されている。固定型２２９〜２３２は、可動型２３３が固定型２２８に向けて接近した際にも被覆体２０を成形する空間２２０ａを維持できるように固定型２２８及び可動型２３３との接触部分が融点の高いゴムなどの材料によって構成されている。
【００２４】
可動型２３３は、固定型２２８に対して接近離間可能に構成される。可動型２３３は、集電体１６、１７の突起部分と係合する部位が形成されている。また、可動型２３３は、油圧シリンダ２４０に接続されて固定型２２８に対して接近離間可能に構成されている。
【００２５】
インサート型２３４〜２３９は、燃料電池１００に燃料や酸化剤、及び冷却水を積層方向に流通させる流路を被覆体２０に形成するための型である。インサート型２３４〜２３９は、積層方向に長い四角柱で構成されているが、形状はこれに限定されない。
【００２６】
制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどによって構成され、積層部２１０や成形部２２０の動作を制御する。
【００２７】
（燃料電池）
次に上記製造装置によって製造される燃料電池について説明する。燃料電池１００は、図６に示すように、収容物１０と被覆体２０とを有する。収容物１０は、図７に示すように、積層体１０ａと集電体１６、１７と絶縁部材１８、１９とを有している。積層体１０ａは、ＭＥＡ１１とセパレータ１３、１４とを複数積層して構成される。ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１の両側面に隣接するセパレータ１３、１４とは、図９に示すように、合わせて燃料電池セル１０ｂと呼ばれる。
【００２８】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂ、もう片側にカソード１１ｃが接合されている。セパレータアセンブリ１２は、２枚のセパレータ１３、１４を有する。また、集電体１６、１７は積層体１０ａの積層方向の端部にそれぞれ設けられている。また、絶縁部材１８、１９は集電体１６、１７よりも積層方向外側に配置され、生成された電気を外部と絶縁する。また、被覆体２０は、収容物１０の筐体にあたる。
【００２９】
セパレータ１３、１４は、図７や図９に示すように、積層体１０ａにおいて隣り合うＭＥＡ１１を隔離しつつ、ＭＥＡ１１で発生した電力を通電させている。セパレータ１３、１４は、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４とに分類される。アノード側セパレータ１３は、ＭＥＡ１１のアノード１１ｂに当接させている。アノード側セパレータ１３は、導電性材料を有する金属からなり、アノード１１ｂよりも大きい薄板状に形成している。セパレータ１３、１４はまとめてセパレータアセンブリ１２と称することもある。
【００３０】
アノード側セパレータ１３の中央には、図７、図９に示すように、燃料ガス（水素）と冷却水等の冷却流体とを隔てて流す流路を構成するように複数の凹凸を一定の間隔で形成した波形形状１３ｇを設けている。アノード側セパレータ１３は、凹凸形状のうち、アノード１１ｂと接触して形成された閉空間を、アノード１１ｂに対して水素を供給するアノードガス流路１３ｈとして用いている。一方、アノード側セパレータ１３は、断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１３ｇと、カソード側セパレータ１４の波形形状１４ｇとの間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１３ｊ（１４ｊ）として用いている。
【００３１】
アノード側セパレータ１３は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１３ａ、冷却流体供給口１３ｂ、およびアノードガス供給口１３ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、アノード側セパレータ１３は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１３ｄ、冷却流体排出口１３ｅ、およびカソードガス排出口１３ｆに相当する貫通孔を開口している。
【００３２】
カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１１のカソード１１ｃに当接している。カソード側セパレータ１４は、導電性材料を有する金属からなり、カソード１１ｃよりも大きい薄板状に形成している。
【００３３】
カソード側セパレータ１４の中央には、図９に示すように、酸化剤ガス（酸素を含有した空気または純酸素）と冷却水とを隔てて流す流路部を構成するように断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１４ｇを設けている。カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、カソード１１ｃと接触して形成された閉空間を、カソード１１ｃに対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１４ｈとして用いている。一方、カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、アノード側セパレータ１３との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１４ｊ（１３ｊ）として用いている。
【００３４】
カソード側セパレータ１４は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１４ａ、冷却流体供給口１４ｂ、およびアノードガス供給口１４ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、カソード側セパレータ１４は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１４ｄ、冷却流体排出口１４ｅ、およびカソードガス排出口１４ｆに相当する貫通孔を開口している。セパレータ１４はセパレータ１３と接合され、供給口１４ａ〜１４ｃ及び排出口１４ｄ〜１４ｆはセパレータ１３の供給口１３ａ〜１３ｃ及び排出口１３ｄ〜１３ｆと連通する。また、セパレータ１４は、図８（Ｄ）に示すように、積層した際に隣接するセパレータ１３とその外周１４ｍ（セパレータ１３の場合は１３ｍ）において接触し、接合される。同様に、セパレータ１４は、図８（Ｄ）に示すように、隣接するセパレータ１３とカソードガス供給口１４ａ（１３ａ）、アノードガス供給口１４ｃ（１３ｃ）、アノードガス排出口１４ｄ（１３ｄ）、カソードガス排出口１４ｆ（１３ｆ）の縁部１４ｎ（１３ｎ）において接合される。
【００３５】
ＭＥＡ１１は、図７や図９に示し、供給された酸素と水素を化学反応させて電力を生成する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂを接合し、もう一方の側にカソード１１ｃを接合して形成している。電解質膜１１ａは、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。
【００３６】
固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。アノード１１ｂは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜１１ａよりも若干小さい薄板状に形成している。カソード１１ｃは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード１１ｂと同様の大きさで薄板状に形成している。
【００３７】
アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード１１ｂおよびカソード１１ｃのガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。
【００３８】
ＭＥＡ１１には、外周にフレーム部材１５を取り付けている。フレーム部材１５は、積層した電解質膜１１ａ、アノード１１ｂ、およびカソード１１ｃの外周を一体に保持している。フレーム部材１５は、たとえば、電気絶縁性を有し、被覆体２０の形成時にも溶融しない比較的耐熱温度の高い不飽和ポリエステルやポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、エポキシ等の樹脂からなり、セパレータ１３，１４の外周部分の外形形状と同様の外形形状で形成している。
【００３９】
フレーム部材１５は、図８（Ａ）から図８（Ｃ）に示すように、カソードガス供給口１５ａ、冷却流体供給口１５ｂ、アノードガス供給口１５ｃ、アノードガス排出口１５ｄ、冷却流体排出口１５ｅ、カソードガス排出口１５ｆ、接触部１５ｇ（堰き止め部に相当）、段差部１５ｈを有する。
【００４０】
カソードガス供給口１５ａ、冷却流体供給口１５ｂ、アノードガス供給口１５ｃは、フレーム部材１５の長手方向の一端に開口として所定の間隔を持って形成されている。アノードガス排出口１５ｄ、冷却流体排出口１５ｅ、カソードガス排出口１５ｆは、カソードガス供給口１５ａ、冷却流体供給口１５ｂ、アノードガス供給口１５ｃとは逆側の端部において所定の間隔をもって形成されている。
【００４１】
接触部１５ｇは、矩形状のフレーム部材１５の外周に形成され、積層体１０ａを形成する際の隣接するセパレータ１３、１４と接触する部位である。
【００４２】
段差部１５ｈは、フレーム部材１５の外周よりも積層方向に一段下がって形成され、燃料または酸化剤を流通させる流路（区画）を形成する。図８（Ａ）において段差部１５ｈは、空気や酸素が流通するアノードガス供給口１５ｃからアノードガス排出口１５ｄまでの流路を形成する。図８（Ａ）の逆側の面における段差部１５ｈは、燃料である水素等を流通させるカソードガス供給口１５ａからカソードガス排出口１５ｆまでの流路を形成する。このように段差部１５ｈを形成することによって、フレーム部材１５と隣接するセパレータ１３、１４の間に配置するシール部材を不要にすることができる。
【００４３】
また、平面視した際のセパレータ１３、１４の波形形状１３ｇ、１４ｇとＭＥＡ１１におけるフレーム部材１５よりも面方向内方部分（ＭＥＡ１１）は発電が行われる発電領域にあたる。
【００４４】
また、本実施形態では積層体１０ａを形成した状態で積層方向に加圧した状態で被覆体２０を形成することによって、接触部１５ｇが外部からの流体を堰き止める堰き止め部、いわゆるシール部となって、シール剤やシール剤と共に用いられるプライマーなどを不要にしている。
【００４５】
一対の集電体１６、１７は、図７に示すように、積層体１０ａで生成された電力を外部に取り出す。
【００４６】
一対の集電体１６、１７は、積層体１０ａの両端にそれぞれ配設している。一対の集電体１６、１７の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を少し厚くしたＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。一対の集電体１６、１７は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１６ａ、１７ａ、冷却流体供給口１６ｂ、１７ｂ、およびアノードガス供給口１６ｃ、１７ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、長手方向の他端には、アノードガス排出口１６ｄ、１７ｄ、冷却流体排出口１６ｅ、１７ｅおよびカソードガス排出口１６ｆ、１７ｆに相当する貫通孔を開口している。一対の集電体１６、１７は、その中央に集電部１６ｊ（集電体１７についても同様）を備えている。
【００４７】
一対の集電体１６、１７の集電部１６ｊ等は、たとえば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材からなり、アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの外形よりも若干小さい薄板状に形成している。一対の集電部１６ｊ等は、複数積層した最外層の燃料電池セル１０ｂに設けたＭＥＡ１１のアノード１１ｂまたはカソード１１ｃに当接している。集電部１６ｈ等は、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部１６ｋ等を突出して設けている。突起部１６ｋ等は、一対の絶縁部材１８、１９の貫通孔１８ｇ等を挿通して、外部に臨んでいる。また、集電体１６の突起部１６ｋに当る形状は集電体１７についても同様に設けられている。
【００４８】
一対の絶縁部材１８、１９の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を増したＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。一対の絶縁部材１８、１９は、たとえば、金属からなり、積層体１０ａで生成された電力を外部と絶縁する。一対の絶縁部材１８、１９は、前述した一対の集電体１６、１７の突起部１６ｇ等を挿通させる貫通孔１８ｇ、１９ｇを有している。
【００４９】
一対の絶縁部材１８、１９は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１８ａ、１９ａ、冷却流体供給口１８ｂ、１９ｂ、およびアノードガス供給口１８ｃ、１９ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、その長手方向の他端には、アノードガス排出口１８ｄ、１９ｄ、冷却流体排出口１８ｅ、１９ｅおよびカソードガス排出口１８ｆ、１９ｆに相当する貫通孔を開口している。
【００５０】
被覆体２０は、図４〜６に示すように、積層体１０ａ、一対の集電体１６、１７、及び絶縁部材１８、１９を互いに密着させた状態で保持している。被覆体２０は、従来の金属等からなる筐体に相当する。被覆体２０は、図３Ａ〜図５に示す製造装置によって製造され、例えばブタジエンゴムなどによって形成される。被覆体２０は、積層体１０ａの積層方向と交差する方向から収容物１０を覆っている。
【００５１】
被覆体２０は、積層体１０ａ及び集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を積層方向に押圧できるように積層方向に把持部２１ａ〜２１ｆが形成されている。把持部２１ａ〜２１ｆは、ＭＥＡ１１とセパレータ１３、１４の積層数に応じてその数が変わる。また、被覆体２０は、燃料、酸化剤、冷却水等の流体を流入できるように、カソードガス供給口２０ａ、冷却流体供給口２０ｂ、アノードガス供給口２０ｃ、アノードガス排出口２０ｄ、冷却流体排出口２０ｅ、カソードガス排出口２０ｆが形成されている。
【００５２】
セパレータ１３、１４、フレーム部材１５、集電体１６、１７、絶縁部材１８、１９及び被覆体２０のカソードガス供給口１３ａ〜２０ａ、冷却流体供給口１３ｂ〜２０ｂ、アノードガス供給口１３ｃ〜２０ｃ、アノードガス排出口１３ｄ〜２０ｄ、冷却流体排出口１３ｅ〜２０ｅ、及びカソードガス排出口１３ｆ〜２０ｆは、セパレータ１３、１４、ＭＥＡ１１、集電体１６、１７、絶縁部材１８、１９及び被覆体２０を位置合わせした際に連通するように構成されている。
【００５３】
（燃料電池の製造方法）
次に本実施形態に係る燃料電池の製造方法における、被覆体の形成工程について説明する。その他の工程については従来と同様の方法を用いるため、説明を省略する。本実施形態に係る燃料電池１００を構成する被覆体２０の形成は、準備工程と、形成工程と、を備える。
【００５４】
準備工程では、積層部２１０を使ってＭＥＡ１１、セパレータ１３、１４、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９を有する収容物１０を積層する。
【００５５】
収容物１０が形成できたら、インサート型２３４〜２３９を収容物１０のカソードガス供給口１３ａ〜１９ａ、冷却流体供給口１３ｂ〜１９ｂ、アノードガス供給口１３ｃ〜１９ｃ、アノードガス排出口１３ｄ〜１９ｄ、冷却流体排出口１３ｅ〜１９ｅ、及びカソードガス排出口１３ｆ〜１９ｆに挿入する。これにより、収容物１０が一体的に固定される。
【００５６】
次にインサート型２３４〜２３９を挿通させた収容物１０を固定型２２８に配置し、成形型の中でも側方に位置する固定型２２９〜２３２を設置する。固定型２２９を設置したらランナー２２２〜２２７とスプルー２２１を固定型２２９に接続する。
【００５７】
次に固定型２２９〜２３２の上方から油圧シリンダ２４０に接続された可動型２３３を固定型２２８に向けて接近させ、収容物１０の端部に位置する絶縁部材１８と固定型２２８、及び可動型２３３と絶縁部材１９とを当接させる。さらに、可動型２３３を固定型２２８に向けて接近させ、固定型２２８〜２３２及び可動型２３３によって空間２２０ａを密閉空間にする。
【００５８】
次に射出部から樹脂を流し込んで溶融させ、スプルー２２１及びランナー２２２〜２２７を経て固定型２２８〜２３２及び可動型２３３によって形成された空間２２０ａに流し込む。収容物１０におけるカソードガス供給口１３ａ〜１９ａ、冷却流体供給口１３ｂ〜１９ｂ、アノードガス供給口１３ｃ〜１９ｃ、アノードガス排出口１３ｄ〜１９ｄ、冷却流体排出口１３ｅ〜１９ｅ、及びカソードガス排出口１３ｆ〜１９ｆにはインサート型２３４〜２３９が挿入され、収容物１０は固定型２２８と可動型２３３とによって積層方向に加圧されている。そのため、成形型２２８〜２３３によって囲まれる空間２２０ａであって、収容物１０を除く部分に被覆体２０が形成される。
【００５９】
流し込んだ溶融樹脂が硬化したら、可動型２３３及び固定型２２９〜２３２を取り外し、収容物１０とともに溶融樹脂によって形成された被覆体２０を固定型２２８から取り外す。そして、インサート型２３４〜２３９を取り外し、必要に応じて被覆体２０の外側面にバリが形成されていたら除去して燃料電池１００が形成される。
【００６０】
次に本実施形態の作用及び効果について説明する。燃料電池において隣接するＭＥＡやセパレータは、接着剤によって組付け状態となっているものがあるが、その場合、接着剤や接着剤の固定の効果を高めるプライマーの硬化を待つ時間が必要になる。また、接着剤などを使用せずにＭＥＡやセパレータを樹脂によって一体に成形するとしても、従来では溶融した樹脂がアノードガスなどの流路に流れないように発電領域の外周にシール部材を配置している。そのため、発電領域の外周にシール部材を設置する必要が生じ、その分シール部材の部品コストと設置作業の工数が増えてしまう。
【００６１】
これに対し、本実施形態に係る燃料電池によれば、積層体１０ａの側方に被覆体２０を配置し、フレーム部材１５がセパレータ１３、１４と当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となるように構成している。セパレータ１３、１４が接触する箇所は燃料電池１００の電気化学反応によって発生した電力を積層方向に導通させる発電領域であり、フレーム部材１５がセパレータ１３、１４と当接するのは、発電が行われる領域よりも面方向の外方である。このように、フレーム部材１５がセパレータ１３、１４と当接する位置をセパレータ同士が接触する位置よりも面方向外方とし、被覆体２０で積層体の側方を覆うことによって、積層体を流通する燃料や酸化剤が漏出することを防止でき、シール部材を不要にできる。そのため、接着剤やプライマーと共にシール部材を不要にすることができる。
【００６２】
また、本実施形態に係る燃料電池の製造方法によれば、準備工程において外周にフレーム部材１５を取り付けたＭＥＡ１１とセパレータ１３、１４とを積層した積層体１０ａであって、フレーム部材１５がセパレータ１３、１４と当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体１０ａを準備する。そして、形成工程において積層体１０ａを固定型２２８〜２３２と可動型２３３とを含む型によって形成される空間２２０ａに配置し、積層体１０ａの積層方向に加圧力を付与しながら空間２２０ａに溶融した樹脂を流通させて硬化させ、積層体１０ａの積層方向と交差する方向から積層体１０ａを覆う被覆体２０を形成する。
【００６３】
また、本実施形態に係る燃料電池の製造装置は、積層体１０ａを収容する空間２２０ａを形成する固定型２２８〜２３２及び可動型２３３と、空間２２０ａに配置された積層体１０ａに対して積層方向に加圧力を付与する加圧シリンダ２４０と、空間２２０ａに被覆体２０を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を有する。
【００６４】
上記のような本発明に係る製造方法及び製造装置によれば、隣接するＭＥＡ１１やセパレータ１３，１４との間は固定型２２８と可動型２３３によって加圧力を付与しながら溶融した樹脂を流通させて被覆体２０を形成することによって、把持部２１ａ〜２１ｈがＭＥＡ１１とセパレータ１３、１４とを密着させ、シール部位を形成することができる。よって、発電領域の外周に設置するシール部材、プライマー、接着剤を不要にしてその分部品コストや設置工数を削減することができる。
【００６５】
また、フレーム部材１５は、カソードガス供給口１５ａと、冷却流体供給口１５ｂと、アノードガス供給口１５ｃと、アノードガス排出口１５ｄと、冷却流体排出口１５ｅと、カソードガス排出口１５ｆと、アノードガス供給口１５ｃからアノードガス排出口１５ｄ、又はカソードガス供給口１５ａからカソードガス排出口１５ｆまでの経路が周囲よりも一段下がった段差部１５ｈと、を有するように構成している。そのため、段差部１５ｈの周囲が一段上がっていることによって、当該部分を外部からの流体が流通することを防止する防波堤のように機能させることができ、シール部材を不要にすることができる。
【００６６】
また、段差部１５ｈにはアノードガス又はカソードガスを流通させて、シール部材を用いなくても発電に必要な電気化学反応を発生させることができる。
【００６７】
また、準備工程において準備された隣接するセパレータ１３、１４は、その外周部において接合されてセパレータアセンブリ１２として構成されている。そのため、両者を接合するという簡易的な方法で隣接するセパレータ同士の組み付けを迅速に行うことができ、積層体１０ａとした際には冷却流体の流路を用意に形成することができ、作業工数を低減することができる。
【００６８】
また、準備工程では隣接するセパレータ１３、１４とＭＥＡ１１のフレーム部材１５とを当該外周において接触させて接触部１５ｇを形成し、形成工程において積層体１０ａを積層方向に加圧した状態で被覆体２０を形成するように構成している。そのため、接触部１５ｇにおいてＭＥＡ１１のフレーム部材１５とセパレータ１３、１４とを密着させて、その内部に流通するアノードガス、カソードガス、冷却流体を外部に流通しないように堰き止めることができ、従来のような発電領域の外周に設置するシール部材等を不要にすることができる。
【００６９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲において種々の改変が可能である。
【００７０】
図１０は、本発明の実施形態に係る成形型の変形例を示す斜視図、図１１（Ａ）は同成形型を示す斜視図、図１１（Ｂ）は正面図である。図３Ａではスプルー２２１から樹脂が１つの流路を通ってランナー２２２〜２２７に分岐する実施形態について説明したが、これに限定されない。スプルー２２１から続く流路は、図１０のように２つの流路２２１ａ、２２１ｂに分岐させ、型２２９だけでなく型２３２にもランナーを接続するように構成してもよい。このように構成することによって、空間２２０ａへの樹脂の充填をより速やかに行うことができる。
【００７１】
また、図３Ａにおいて溶融される樹脂はスクリューを収容する流路２２１を流通し、流路２２１から略９０度に曲がった流路２２２〜２２７に分岐して流れる（ゲートが複数の）実施形態について説明したが、これに限定されない。図１１（Ａ）から図１１（Ｃ）に示すように、流路２２１ｃは、曲がることも分岐することもなく、固定型に対するゲートを１つで構成してもよい。また、型の構成も上記に限定されず、例えば固定型２２８ｂ及び可動型２３３ｂが積層方向の両端から収容物１０の途中までの高さにおいて収容物１０を側方から覆う形状に構成し、当該途中の高さの位置を型の見切り（型分割位置、パーティングライン）としてもよい。
【００７２】
図１２は、本発明の実施形態に係る積層体の変形例を示す断面図である。上記ではＭＥＡ１１と隣接するセパレータ１３、１４との間を積層方向に加圧することによって溶融された樹脂が流通することを防止する実施形態について説明したが、これに限定されない。図１２に示すように、フレーム部材１５の面方向における外周端部には突起部１５ｊ（堰き止め部に相当）が設けられ、セパレータ１３、１４には突起部１５ｊと係合する係合部１３ｋ、１４ｋが設けられている。また、積層方向の両端部において集電体１６、１７の積層方向中央側には突起部１６ｊ、１７ｊが設けられている。また、固定型２２８及び可動型２３３には、溶融樹脂の意図しない部位への流入を防止するリップ２２８ａ、２３３ａが設けられ、絶縁部材１８、１９にはリップ２２８ａ、２３３ａと係合する係合部１８ｊ、１９ｊが設けられる。
【００７３】
突起部１５ｊ、１６ｊ、１７ｊは、積層方向に突出しており、このような突起部１５ｊを有するフレーム部材を取り付けたＭＥＡ１１や集電体を準備工程において用意することにより、被覆体２０の製造時には溶融樹脂がアノードガス流路１３ｈやカソードガス流路１４ｈへ流入することを防止し、製品の際にはアノードガスやカソードガスが外部と流通することを堰き止めることができる。なお、リップ２２８ａ、２３３ａは、集電体１６、１７の係合部１６ｊ、１７ｊと同様に構成してもよい。
【００７４】
また、セパレータ１３とセパレータ１４との間に形成される冷却流体流路１３ｊ、１４ｊには、形成工程の際に樹脂の流入を防止する詰め物のような部材を配置し、被覆体２０が形成された後であって、インサート型２３４〜２３９を取り除いた後に当該詰め物を取り除くようにしてもよい。
【００７５】
また、燃料電池１００を構成する集電体１６、１７や絶縁部材１８、１９は、対になって両方にアノードガス供給口１６ａ〜１９ａ、冷却流体供給口１６ｂ〜１９ｂ、カソードガス供給口１６ｃ〜１９ｃ、カソードガス排出口１６ｄ〜１９ｄ、冷却流体排出口１６ｅ〜１９ｅ、アノードガス排出口１６ｆ〜１９ｆが設けられる実施形態について説明したが、これに限定されない。上記供給口及び排出口は、集電体１６、１７及び絶縁部材１８、１９の両端部に設けられていなくてもよく、例えば集電体１６及び絶縁部材１８にのみ設けるように構成してもよい。
【００７６】
また、隣接するセパレータ１３、１４は溶接等によって接合される実施形態について説明したが、これに限定されず、セパレータ１３、１４とが接合されていなくてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０  収容物、
１０ａ  積層体、
１０ｂ  燃料電池セル、
１００  燃料電池、
１１  膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１１ａ  電解質膜、
１１ｂ  アノード、
１１ｃ  カソード、
１１ｄ  切り欠き、
１２  セパレータアセンブリ、
１３  アノードセパレータ、
１４  カソードセパレータ、
１３ｇ、１４ｇ  波形形状、
１３ｈ  アノードガス流路、
１３ｊ（１４ｊ）  冷却流体流路、
１３ｋ、１４ｋ  係合部、
１４ｈ  カソードガス流路、
１５  ＭＥＡのフレーム部材、
１５ｇ  接触部（堰き止め部）、
１５ｈ  階段形状（堰き止め部）、
１５ｊ  突起部（堰き止め部）、
１６，１７  集電体、
１６ｇ  突起部、
１６ｈ  集電部、
１６ｊ、１７ｊ  突起部、
１８，１９  絶縁部材、
１８ｇ、１９ｇ  貫通孔、
１８ｊ、１９ｊ  係合部、
２０  被覆体、
１３ａ〜２０ａ  カソードガス供給口、
１３ｂ〜２０ｂ  冷却流体供給口、
１３ｃ〜２０ｃ  アノードガス供給口、
１３ｄ〜２０ｄ  アノードガス排出口、
１３ｅ〜２０ｅ  冷却流体排出口、
１３ｆ〜２０ｆ  カソードガス排出口、
２１ａ〜２１ｈ  把持部、
２１０  積層部、
２１１  挟持アーム、
２１２  固定部、
２１３  移動部、
２１４  保持部、
２１５  保持アーム、
２１６  延長部、
２１７  搬送部、
２１８  設置台、
２２０  成形部、
２２０ａ  空間、
２２１  スプルー、
２２２〜２２７  ランナー（流路）、
２２８  固定型（成形型）、
２２８ａ  リップ、
２２９〜２３２  固定型（成形型）、
２３３  可動型（成形型）、
２３３ａ  リップ、
２３４〜２３９  インサート型、
２４０  油圧シリンダ（加圧部）。
【図１】
2015207501.tif 000003
【図２】
2015207501.tif 000004
【図３Ａ】
2015207501.tif 000005
【図３Ｂ】
2015207501.tif 000006
【図３Ｃ】
2015207501.tif 000007
【図３Ｄ】
2015207501.tif 000008
【図４】
2015207501.tif 000009
【図５】
2015207501.tif 000010
【図６】
2015207501.tif 000011
【図７】
2015207501.tif 000012
【図８】
2015207501.tif 000013
【図９】
2015207501.tif 000014
【図１０】
2015207501.tif 000015
【図１１】
2015207501.tif 000016
【図１２】
2015207501.tif 000017