(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部に樹脂枠部材を有する電解質膜・電極構造体と、金属製のセパレータとを積層して仮止めした仮組立体を経て燃料電池を得る燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを積層し、前記樹脂枠部材及び前記セパレータの一方の面同士を当接させて当接部位を形成する工程と、
前記セパレータの他方の面から前記当接部位を加熱して、前記樹脂枠部材を溶融させることにより、溶融凝固部位を形成する工程と、
前記溶融凝固部位を介して前記セパレータと前記樹脂枠部材とを仮止めして得た前記仮組立体を積層して前記燃料電池を得る工程と、を備え、
前記溶融凝固部位は、長辺と前記長辺の長さ以下の短辺を備えた略矩形状であって、前記短辺の長さが１〜５ｍｍの範囲内であり、且つ面積が３ｍｍ2以上であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
外周部に樹脂枠部材を有する電解質膜・電極構造体と、金属製のセパレータとを積層して仮止めした仮組立体を経て得られる燃料電池であって、
前記樹脂枠部材が溶融凝固して形成され、前記仮組立体の形成時に前記樹脂枠部材と前記セパレータとの間を仮止めする溶融凝固部位を有し、
前記溶融凝固部位は、長辺と前記長辺の長さ以下の短辺を備えた略矩形状であって、前記短辺の長さが１〜５ｍｍの範囲内であり、且つ面積が３ｍｍ2以上であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外周部に樹脂枠部材を有する電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層して仮止めした仮組立体を経て得られる燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一面側にアノード電極を、前記固体高分子電解質膜の他面側にカソード電極を、それぞれ配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより発電セル（単位セル）を構成している。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
このような燃料電池では、積層された各発電セルのアノード電極とカソード電極とに、それぞれ反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するべく、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。従って、反応ガスのシール性等を確保するために、ＭＥＡとセパレータとを正確に位置決めして組み立てる必要がある。
【０００４】
ところで、燃料電池では、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するために、固体高分子電解質膜の薄膜化が図られている。その際、薄膜化する分強度が低下する固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている。このような樹脂枠部材は、反りが発生し易い。従って、ＭＥＡとセパレータとを正確に位置決めして組み立てることが困難になる。
【０００５】
そこで、本出願人は、枠付きＭＥＡとセパレータとを正確且つ容易に位置決めするべく、特許文献１に記載の燃料電池を提案している。この燃料電池は、ＭＥＡとセパレータとを一体化した構造体を経て組み立てられる。すなわち、先ず、構造体を形成するべく、ＭＥＡとセパレータとを正確に位置決めして積層し、互いに当接させた状態で、樹脂枠部材の所定の複数の位置をスポット状に加熱溶融する。従って、特に反りが発生し易い樹脂枠部材を用いた場合であっても、上記の通り、ＭＥＡとセパレータとを溶着して一体化するため、樹脂枠部材をセパレータに確実に固定して、構造体を得ることができる。この構造体を複数積層することで、ＭＥＡとセパレータの相互のずれの発生が可及的に抑制された燃料電池を容易に組み立てることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１３２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＭＥＡとセパレータとの相互のずれの発生を抑制するためには、上記の通り、燃料電池の組立時に、構造体における樹脂枠部材とセパレータとの溶着状態が維持されている必要がある。一方で、この溶着状態が燃料電池の運転時に維持されていると、樹脂枠部材とセパレータとの間に、電解質膜の膨張・収縮等に伴う余分な応力が生じて、燃料電池の耐久性が低下する懸念がある。従って、このような応力の発生を回避するためには、樹脂枠部材とセパレータとを剥離した状態で燃料電池を運転する必要がある。
【０００８】
すなわち、燃料電池の組立時には、樹脂枠部材とセパレータとが溶着された状態を維持でき、且つ燃料電池の運転時には、樹脂枠部材とセパレータとの溶着箇所を剥離できる仮組立体を形成し、該仮組立体を経て燃料電池を得ることが求められる。
【０００９】
本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることが可及的に抑制されるとともに、耐久性に優れた燃料電池及びそ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】
【００１０】
本発明は、外周部に樹脂枠部材を有する電解質膜・電極構造体と、金属製のセパレータとを積層して仮止めした仮組立体を経て燃料電池を得る燃料電池の製造方法であって、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを積層し、前記樹脂枠部材及び前記セパレータの一方の面同士を当接させて当接部位を形成する工程と、前記セパレータの他方の面から前記当接部位を加熱して、前記樹脂枠部材を溶融させることにより、溶融凝固部位を形成する工程と、前記溶融凝固部位を介して前記セパレータと前記樹脂枠部材とを仮止めして得た前記仮組立体を積層して前記燃料電池を得る工程とを備え、前記溶融凝固部位は、長辺と前記長辺の長さ以下の短辺を備えた略矩形状であって、前記短辺の長さが１〜５ｍｍの範囲内であり、且つ面積が３ｍｍ2以上であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の製造方法では、上記の通り、樹脂枠部材とセパレータとを互いに当接させた当接部位を加熱して溶融凝固部位を形成し、溶着により一体化して仮組立体を得る。このため、特に反りが発生し易い樹脂枠部材を用いた場合であっても、樹脂枠部材をセパレータに確実に固定することができる。
【００１２】
また、溶融凝固部位の面積を上記の通り設定している。これにより、仮組立体のせん断強度を、燃料電池の組立時に、ＭＥＡとセパレータの溶着状態を十分に維持することが可能な大きさとすることができる。
【００１３】
一方、溶融凝固部位の短辺を上記の通り設定しているので、燃料電池の運転時には、仮組立体におけるＭＥＡとセパレータの溶着箇所を容易に剥離させることができる。すなわち、溶融凝固部位は、燃料電池の運転時に、ＭＥＡでの電気化学反応によって生じる生成水の蒸気や、電解質膜を湿潤状態に維持するべく燃料ガスとともに供給される水蒸気等に曝される。
【００１４】
溶融凝固部位が水蒸気に曝されると、その縁部からセパレータとの界面に水分が侵入していき、該溶融凝固部位縁部から内方に向かって自然剥離が進行する。短辺を上記のように設定すると、溶融凝固部位のセパレータとの界面全体に水分が早期に浸入するので、溶融凝固部位全体を効率的且つ容易にセパレータから剥離することができる。これによって、燃料電池の運転時に電解質膜が膨張・収縮すること等に伴って、樹脂枠部材とセパレータとの間に余分な応力が生じることを回避できる。
【００１５】
以上から、燃料電池の組立時には、樹脂枠部材とセパレータとが溶着された状態を維持でき、且つ燃料電池の運転時には、樹脂枠部材とセパレータとの溶着箇所を剥離できる仮組立体を形成することができる。この仮組立体を経ることで、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることが可及的に抑制されるとともに、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１６】
また、本発明は、外周部に樹脂枠部材を有する電解質膜・電極構造体と、金属製のセパレータとを積層して仮止めした仮組立体を経て得られる燃料電池であって、前記樹脂枠部材が溶融凝固して形成され、前記仮組立体の形成時に前記樹脂枠部材と前記セパレータとの間を仮止めする溶融凝固部位を有し、前記溶融凝固部位は、長辺と前記長辺の長さ以下の短辺を備えた略矩形状であって、前記短辺の長さが１〜５ｍｍの範囲内であり、且つ面積が３ｍｍ2以上であることを特徴とする。
【００１７】
溶融凝固部位は、燃料電池の初回の運転よりも前の段階である、燃料電池の組立時には、樹脂枠部材とセパレータとを溶着により仮止めして、仮組立体を形成する。一方、燃料電池の初回の運転以降では、溶融凝固部位が、燃料電池の運転に伴う水蒸気に曝されること等により、樹脂枠部材とセパレータとの溶着を剥離させるため、仮組立体を形成しない。
【００１８】
この溶融凝固部位では、上記の通り、短辺及び面積が設定されている。これによって、仮組立体のせん断強度が調整されるため、樹脂枠部材とセパレータとの溶着状態を維持した状態で、燃料電池を組み立てることができる。すなわち、この場合、ＭＥＡとセパレータとを正確に位置決めして仮組立体を形成し、この仮組立体を積層することで燃料電池を得ることができるため、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることを可及的に抑制できる。また、特に反りが発生し易い樹脂枠部材を用いた場合であっても、樹脂枠部材をセパレータに確実に固定して、仮組立体を形成するため、ＭＥＡとセパレータとを正確に位置決めすることができる。
【００１９】
一方、燃料電池の運転時に、溶融凝固部位が水蒸気に曝されると、溶融凝固部位が上記の形状に形成されていることにより、溶融凝固部位のセパレータとの界面全体に水分が早期に浸入して自然剥離が進行する。これによって、溶融凝固部位全体を効率的且つ容易にセパレータから剥離することができる。従って、本発明の燃料電池では、運転時に電解質膜が膨張・収縮すること等に伴って、樹脂枠部材とセパレータとの間に余分な応力が生じることを回避できる。
【００２０】
以上から、本発明の燃料電池は、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることを可及的に抑制できるとともに、耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、溶融凝固部位の短辺を１〜５ｍｍの範囲内とし、且つ面積を３ｍｍ2以上として形成した仮組立体を経て燃料電池を得る。これによって、燃料電池の組立時には、正確に位置決めしたＭＥＡとセパレータとの溶着状態を十分に維持することができる。一方、燃料電池の運転時には、溶融凝固部位全体を効率的且つ容易にセパレータから剥離することができるため、電解質膜の膨張・収縮に伴って、樹脂枠部材とセパレータとの間に余分な応力が生じることを回避できる。
【００２２】
従って、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることが可及的に抑制され、且つ耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】図１の第１セパレータの正面説明図である。
【図４】図１の第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】加熱装置により前記第１セパレータと前記第１電解質膜・電極構造体の第１樹脂枠部材とを溶着する際の説明図である。
【図６】図１の溶融凝固部位の概略説明図である。
【図７】実施例に係る仮組立体について、溶融凝固部位の面積とせん断強度との関係を示すグラフである。
【図８】実施例に係る仮組立体について、溶融凝固部位の短辺の長さと自然剥離時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０は、発電ユニット１２を備える。複数の発電ユニット１２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されてスタックを構成する。このスタックは、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。
【００２５】
発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（第１ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（第２ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。
【００２６】
以下の説明では、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を総称してセパレータともいう。また、第１ＭＥＡ１６ａ及び第２ＭＥＡ１６ｂを総称して、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）ともいう。
【００２７】
これらのセパレータは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
【００２８】
図１に示すように、発電ユニット１２の長手方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、セパレータの長手方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部にそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００２９】
発電ユニット１２の長手方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。
【００３０】
発電ユニット１２の短手方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短手方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。
【００３１】
発電ユニット１２の長手方向の一端縁部及び他端縁部には、それぞれ矢印Ｃ方向の略中央にノック用孔部２７ａ、２７ｂが形成される。ノック用孔部２７ａ、２７ｂには、それぞれ図示しない樹脂製のノックピンが挿入されることにより、発電ユニット１２内でセパレータ間の位置決めを行う。
【００３２】
図３に示すように、第１セパレータ１４の第１ＭＥＡ１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。
【００３３】
第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。
【００３４】
入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。
【００３５】
図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとに連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００３６】
第２セパレータ１８の第１ＭＥＡ１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。
【００３７】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、ブリッジである蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、ブリッジである蓋体３７ｂにより覆われる。
【００３８】
第２セパレータ１８の第２ＭＥＡ１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）を有する。
【００３９】
図１に示すように、第３セパレータ２０の第２ＭＥＡ１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。
【００４０】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、ブリッジである蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、ブリッジである蓋体４５ｂにより覆われる。
【００４１】
第３セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３セパレータ２０に隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。
【００４２】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。
【００４３】
第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００４４】
図３に示すように、第１シール部材４６は、第１セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を取り囲む第１凸状シール部４６ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４６ａは、第１ＭＥＡ１６ａを挟んで積層される第２セパレータ１８の第２シール部材４８に当接する。第１凸状シール部４６ａは、後述する第１樹脂枠部材５８の外周に位置して配置される外側シール部材を構成する。
【００４５】
第１セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材４６と一体に位置決めリブ４６ａｒが形成される。位置決めリブ４６ａｒは、第１ＭＥＡ１６ａと第１セパレータ１４とを相対的に位置決めする機能を有し、必要に応じて設けられる。
【００４６】
第１シール部材４６は、図１に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部４６ｂを有する。
【００４７】
第２シール部材４８は、第２セパレータ１８の面１８ａにおいて、第１燃料ガス流路３４を囲繞する第１凸状シール部４８ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４８ａは、第２セパレータ１８に隣接する第１ＭＥＡ１６ａの第１樹脂枠部材５８に当接する内側シール部材を構成する。
【００４８】
第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との外周を取り囲む第２凸状シール部４８ｂを有する。図２に示すように、第２凸状シール部４８ｂは、第２ＭＥＡ１６ｂを挟んで積層される第３セパレータ２０の第３シール部材５０に当接する。第２凸状シール部４８ｂは、後述する第２樹脂枠部材６０の外周に位置して配置される外側シール部材を構成する。
【００４９】
図２に示すように、面１８ｂには、第２シール部材４８と一体に位置決めリブ４８ｂｒが形成される。位置決めリブ４８ｂｒは、第２ＭＥＡ１６ｂと第２セパレータ１８とを相対的に位置決めする機能を有し、必要に応じて設けられる。
【００５０】
図１に示すように、第３シール部材５０は、第３セパレータ２０の面２０ａにおいて、第２燃料ガス流路４２を囲繞する第１凸状シール部５０ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部５０ａは、第３セパレータ２０に隣接する第２ＭＥＡ１６ｂの第２樹脂枠部材６０に当接する内側シール部材を構成する。
【００５１】
第３シール部材５０は、第３セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部（外側シール部材）５０ｂを有する。
【００５２】
図２に示すように、ＭＥＡは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質膜）５２と、前記電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び電解質膜５２の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。
【００５３】
なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。
【００５４】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、電解質膜５２の両面に形成される。
【００５５】
第１ＭＥＡ１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２ＭＥＡ１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。
【００５６】
なお、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０は、別体で成形するとともに、接着剤等で第１ＭＥＡ１６ａ及び第２ＭＥＡ１６ｂに接合してもよい。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックや、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）等のスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００５７】
図１及び図４に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部６２ａが設けられる。また、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有する。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。
【００５８】
第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられる。また、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。第１樹脂枠部材５８の矢印Ｂ方向両端部には、ノックピンを通過させるための切り欠き部７０ａ、７０ｂが形成される。
【００５９】
第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部６２ａの近傍及び出口バッファ部６２ｂの近傍には、複数の溶融凝固部位９８ａが設けられる。溶融凝固部位９８ａは、第１樹脂枠部材５８を溶融凝固して形成されたものであり、その詳細については後述する。
【００６０】
図１に示すように、第２ＭＥＡ１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、カソード電極５４側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部７４ａが設けられる。また、第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部７４ｂが形成される。
【００６１】
第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部８０ａが設けられる。また、第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して、出口バッファ部８０ｂが設けられる。第２樹脂枠部材６０の矢印Ｂ方向両端部には、ノックピンを通過させるための切り欠き部８１ａ、８１ｂが形成される。
【００６２】
第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部８０ａの近傍及び出口バッファ部８０ｂの近傍には、上記の溶融凝固部位９８ａと同様に、後述する複数の溶融凝固部位９８ｂが設けられる。
【００６３】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。
【００６４】
本実施形態では、発電ユニット１２は、第１仮組立体８２と、第２仮組立体８４と、第３セパレータ２０とが積層されて組み立てられる。第１仮組立体８２は、第１ＭＥＡ１６ａと第１セパレータ１４とが積層されて構成され、発電ユニット１２の組立時には、互いの間が溶着により仮止めされている。具体的には、この仮止めは、第１ＭＥＡ１６ａの第１樹脂枠部材５８と、第１セパレータ１４の加熱部位９６ａ（図２及び図３参照）とが、該第１樹脂枠部材５８に形成された溶融凝固部位９８ａを介して溶着されることにより形成されている。
【００６５】
第２仮組立体８４は、第２ＭＥＡ１６ｂと第２セパレータ１８とが積層されて構成され、発電ユニット１２の組立時には、互いの間が溶着により仮止めされている。具体的には、この仮止めは、第２ＭＥＡ１６ｂの第２樹脂枠部材６０と、第２セパレータ１８の加熱部位９６ｂ（図２参照）とが、該第２樹脂枠部材６０に形成された溶融凝固部位９８ｂを介して溶着されることにより形成されている。
【００６６】
すなわち、発電ユニット１２を製造する場合、はじめに、第１仮組立体８２、第２仮組立体８４を作製する。具体的には、第１仮組立体８２を得るべく、先ず、第１ＭＥＡ１６ａと第１セパレータ１４とを積層し、第１樹脂枠部材５８の一方の面５８ａと、第１セパレータ１４の一方の面１４ａとを当接させることにより、当接部位を形成する。そして、この当接部位のうち、第１セパレータ１４の加熱部位９６ａをその他方の面１４ｂ側から、図５に示す加熱装置９０により加熱して、第１樹脂枠部材５８を溶融する。
【００６７】
加熱装置９０は、基台部９２と電気ヒータで加熱された加熱棒体９４とを備える。基台部９２は、第１樹脂枠部材５８との当接面が平坦な形状を有する。加熱棒体９４は、第１セパレータ１４との当接面が平坦な形状を有することが好ましいが、例えば、先端が滑らかなＲ形状を有していてもよい。基台部９２の当接部の表面積は、加熱棒体９４の当接部の表面積よりも大きい。
【００６８】
なお、加熱装置９０に代えて、例えば、レーザ加熱装置（図示せず）等の種々の加熱装置で第１セパレータ１４の加熱部位９６ａを直接加熱してもよい。
【００６９】
基台部９２上には、第１樹脂枠部材５８が載置されるとともに、該第１樹脂枠部材５８上には、第１セパレータ１４が載置される。第１セパレータ１４は、位置決めリブ４６ａｒにより第１ＭＥＡ１６ａに対して位置決めされる。第１セパレータ１４の接合箇所には、予め粗面化処理が施されることが好ましい。接合強度の向上が図られるからである。また、第１セパレータ１４の全周に亘って第１酸化剤ガス流路２６を囲繞する平坦部が形成される。なお、第２セパレータ１８でも、同様である。
【００７０】
そして、所定の温度に加熱した加熱棒体９４を、加熱部位９６ａの面１４ｂに対して、所定の加圧力で押圧する。これによって、第１セパレータ１４を介して第１樹脂枠部材５８が加熱されるため、第１樹脂枠部材５８の一部が溶融する。次いで、加熱棒体９４の温度を低下させることにより、溶融部位を固化し、第１樹脂枠部材５８に溶融凝固部位９８ａを形成する。
【００７１】
図３に示すように、第１セパレータ１４の複数の位置に上記の加熱部位９６ａが設けられる。これにより、図４に示すように、上記の加熱部位９６ａに対応する第１樹脂枠部材５８の複数の位置に溶融凝固部位９８ａが設けられる。この溶融凝固部位９８ａを介して、第１セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８とを溶着により一体化する。その結果、第１セパレータ１４と第１ＭＥＡ１６ａとが、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化された第１仮組立体８２が得られる。
【００７２】
一方、上記と同様に、第２ＭＥＡ１６ｂ及び第２セパレータ１８についても、互いに積層し、第２樹脂枠部材６０の一方の面６０ａと、第２セパレータ１８の一方の面１８ａとを当接させて当接部位を形成する。そして、この当接部位のうち、加熱部位９６ｂを第２セパレータ１８の他方の面１８ｂ側から、加熱装置９０により加熱して第２樹脂枠部材６０を溶融する。その後、溶融部位を凝固させることで、溶融凝固部位９８ｂを形成する。
【００７３】
第１セパレータ１４と同様に、第２セパレータ１８の複数の位置に加熱部位９６ｂが設けられる。これにより、加熱部位９６ｂに対応する第２樹脂枠部材６０の複数の位置に溶融凝固部位９８ｂ（図１参照）が設けられる。この溶融凝固部位９８ｂを介して、第２セパレータ１８と第２樹脂枠部材６０とを溶着により一体化する。その結果、第２セパレータ１８と第２ＭＥＡ１６ｂとが、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化された第２仮組立体８４が得られる。
【００７４】
このため、特に反りが発生し易い第１樹脂枠部材５８、第２樹脂枠部材６０が用いられても、第１樹脂枠部材５８、第２樹脂枠部材６０のそれぞれを第１セパレータ１４、第２セパレータ１８に確実に固定することができる。
【００７５】
上記のように形成した第１仮組立体８２及び第２仮組立体８４と、さらに第３セパレータ２０を、ノック用孔部２７ａ、２７ｂに挿入されるノックピン（図示せず）を用いて積層することにより、発電ユニット１２を組み立てる。この際、図６に示すように、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂの形状は、セパレータの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在する長辺Ｌ１と短辺Ｌ２を備えた略矩形状であり、前記短辺Ｌ２が１〜５ｍｍの範囲内となり、且つ面積が３ｍｍ2以上となるように設定されている。
【００７６】
なお、長辺Ｌ１の延在する方向は、上記セパレータの長手方向に沿う方向に限定されるものではない。一方、上記の第１仮組立体８２及び第２仮組立体８４は搬送する際等に前記長手方向に沿って撓みやすい。従って、前記長辺Ｌ１の方向を前記長手方向と一致させた方が前記撓みによる剥がれが発生し難いので、好ましい。
【００７７】
これにより、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂにおける特性について、せん断強度を１５Ｎ以上とし、且つ水蒸気自然剥離時間を１２０時間以下とすることができる。このように、せん断強度を調整することによって、発電ユニット１２の組立時に、ＭＥＡとセパレータの溶着状態を十分に維持することが可能になる。従って、発電ユニット１２内の位置決め及び複数の前記発電ユニット１２同士の位置決めが容易且つ効率的に遂行されるという利点がある。
【００７８】
上記のようにして組み立てられる発電ユニット１２を積層して、スタックを構成することにより、燃料電池１０を得ることができる。この燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００７９】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２５ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００８０】
このため、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が入口バッファ部７４ａを通って第２セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。
【００８１】
酸化剤ガスは、図１、図３及び図４に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１ＭＥＡ１６ａのカソード電極５４に供給される。また、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２ＭＥＡ１６ｂのカソード電極５４に供給される。
【００８２】
一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａを通って第２セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部８０ａを通って第３セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。
【００８３】
燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１ＭＥＡ１６ａのアノード電極５６に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２ＭＥＡ１６ｂのアノード電極５６に供給される。
【００８４】
従って、ＭＥＡでは、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。一層詳細には、アノード電極５６に供給され、ガス拡散層を通過した燃料ガス中の水素ガスが電極触媒層で電離し、プロトン（Ｈ+）と電子が生成される。電子は、燃料電池１０に電気的に接続された外部負荷（図示せず）を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜５２を介してカソード電極５４に到達する。なお、プロトンは、電解質膜５２に含まれる水を伴って、アノード電極５６側からカソード電極５４側へ移動する。
【００８５】
カソード電極５４の電極触媒層では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極５４に到達した電子と、該カソード電極５４に供給されてガス拡散層を通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
【００８６】
以上の電極反応の最中、電解質膜５２に良好なプロトン伝導性を発現させるためには、該電解質膜５２を湿潤状態に維持する必要がある。このため、燃料ガス入口連通孔２４ａには、予め水蒸気を含有する燃料ガスが供給されてもよい。
【００８７】
次いで、ＭＥＡの各カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。ＭＥＡのアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００８８】
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。
【００８９】
従って、燃料電池１０の運転時には、電極触媒層内での電気化学反応により生じる生成水の蒸気や、燃料ガスとともに供給される水蒸気等に、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂが曝されることになる。この際、上記の通り、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂは長辺Ｌ１及び短辺Ｌ２から構成され、その長辺Ｌ１と面積とが上記の範囲に設定されることにより、水蒸気自然剥離時間が上記の範囲に調整されている。
【００９０】
このため、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂが水蒸気に曝されると、その短辺の両端側の縁部から中心に向かって自然剥離を進行させて、溶融凝固部位９８ａ、９８ｂの全体を効率的且つ容易にセパレータから剥離することができる。これによって、燃料電池１０の運転時に電解質膜５２が膨張・収縮すること等に伴って、第１樹脂枠部材５８、第２樹脂枠部材６０とセパレータとの間に余分な応力が生じることを回避できる。
【００９１】
以上から、第１仮組立体８２及び第２仮組立体８４では、発電ユニット１２の組立時には、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０とセパレータとが溶着された状態を良好に維持できる。一方で、燃料電池１０の運転時には、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０とセパレータとの溶着を容易に剥離することができる。このように形成された第１仮組立体８２及び第２仮組立体８４を経ることで、ＭＥＡとセパレータに位置ずれが生じることが可及的に抑制されるとともに、耐久性に優れた燃料電池１０を得ることができる。
【００９２】
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【実施例】
【００９３】
樹脂枠部材にＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）を採用し、且つセパレータにステンレス鋼（ＳＵＳ）を採用して測定試料用の仮組立体を形成し、該仮組立体について、せん断強度の測定試験を行った。具体的には、以下に示す通り、実施例に係る仮組立体を作製した。
【００９４】
先ず、セパレータ中の接合部位に、粗面化処理として、レーザクリーニングを行った。次に、セパレータと樹脂枠部材とを積層し、該樹脂枠部材の一方の面と、セパレータの上記粗面化処理を行った一方の面とを当接させることにより、当接部位を形成した。次に、この当接部位のうち、セパレータの加熱部位に対して、上記の加熱装置により１Ｎの加重を付与しつつ、４５０℃で１０秒ずつ加熱することにより、長辺Ｌ１が４．０ｍｍ、短辺Ｌ２が１．５ｍｍ（面積６ｍｍ2）となる溶融凝固部位を形成した。このようにして、セパレータと樹脂枠部材とを溶着により仮止めして得た仮組立体を実施例１とする。
【００９５】
溶融凝固部位の長辺Ｌ１を６．０ｍｍ、短辺Ｌ２を２．０ｍｍ（面積１２．０ｍｍ2）とした以外は、実施例１に係る仮組立体と同様にして実施例２に係る仮組立体を得た。
【００９６】
溶融凝固部位の長辺Ｌ１を６．７ｍｍ、短辺Ｌ２を２．５ｍｍ（面積１６．８ｍｍ2）とした以外は、実施例１に係る仮組立体と同様にして実施例３に係る仮組立体を得た。
【００９７】
溶融凝固部位の長辺Ｌ１を６．８ｍｍ、短辺Ｌ２を４．５ｍｍ（面積３０．６ｍｍ2）とした以外は、実施例１に係る仮組立体と同様にして実施例４に係る仮組立体を得た。
【００９８】
上記の実施例１〜３に係る仮組立体について、せん断強度を測定した。せん断強度の測定は上記仮組立体の樹脂枠部材とセパレータを引っ張り試験機で保持し、前記溶着凝固部位の面に水平な方向（図６中の矢印Ｃ方向）に引っ張ることで測定した。
【００９９】
このようにして得られたせん断強度の測定結果を図７に示す。図７は、溶融凝固部位の面積と剥離強度との関係を示すグラフである。
【０１００】
図７から、溶融凝固部位の面積を３ｍｍ2以上とすることにより、仮組立体のせん断強度を１５Ｎ以上として、燃料電池の組立時に、ＭＥＡとセパレータの溶着状態を十分に維持することが可能な大きさとすることが可能であることが分かる。
【０１０１】
また、上記の実施例１、３及び４に係る仮組立体について、水蒸気自然剥離時間を測定した。該剥離時間の測定は、仮組立体を温度８５℃、相対湿度１００％の雰囲気中に置くことにより行った。その結果を図８に示す。図８は、溶解凝固部位の短辺の長さＬ２と自然剥離時間との関係を示すグラフである。
【０１０２】
図８から、実施例１、３及び４の仮組立体では、溶融凝固部位による溶着が１２０時間以内に剥離することが確認された。従って、溶融凝固部位の短辺Ｌ２及び面積を上記の範囲に設定することにより、燃料電池の運転時に、溶融凝固部位が水蒸気に曝されて、溶融凝固部位全体を効率的且つ容易にセパレータから剥離することができる。従って、本発明の燃料電池では、運転時に電解質膜が膨張・収縮すること等に伴って、樹脂枠部材とセパレータとの間に余分な応力が生じることを回避できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…燃料電池                    １２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ      １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔        ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔        ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路        ３０ａ…入口連結溝
３０ｂ…出口連結溝                ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路          ３６ａ…供給流路溝部
３６ｂ…排出流路溝部              ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜          ５４…カソード電極
５６…アノード電極                ５８、６０…樹脂枠部材
８２、８４…仮組立体              ９０…加熱装置
９２…基台部                      ９４…加熱棒体
９６ａ、９６ｂ…加熱部位          ９８ａ、９８ｂ…溶融凝固部位
【図１】
0006517528.tif 000002
【図２】
0006517528.tif 000003
【図３】
0006517528.tif 000004
【図４】
0006517528.tif 000005
【図５】
0006517528.tif 000006
【図６】
0006517528.tif 000007
【図７】
0006517528.tif 000008
【図８】
0006517528.tif 000009