(57)【要約】【課題】金型内で電解質膜とシール部材とを一体成形する際に、電解質膜を所望の位置に保持する。【解決手段】燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体１２と、発電体１２の外周部で発電体１２の外周部を内包し、発電体１２と一体で形成されたシール部１６と、発電体１２の両側に配置されてシール部１６と接触するガスセパレータ３０と、を備える。また、シール部１６が発電体１２を内包する内包領域と重なる領域において、発電体１２と一方のガスセパレータ３０のいずれかに接着して設けられ、発電体１２と一方のガスセパレータ３０との間の距離を高さとする支持部を備える。ここでシール部１６は、発電体１２と一方のガスセパレータ３０との間において、支持部の周囲に形成される空間を埋めるように形成されている。【選択図】図１
2008192403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備える発電体と、
前記発電体の外周部で該発電体の外周部を内包し、該発電体と一体で形成されたシール部と、
前記発電体の両側に配置され、前記シール部と接触するガスセパレータと、
前記シール部が前記発電体を内包する内包領域と重なる領域において、前記発電体と一方の前記ガスセパレータのいずれかに接着して設けられ、前記発電体と前記一方のガスセパレータとの間の距離を高さとする支持部と
を備え、
前記シール部は、前記発電体と前記一方のガスセパレータとの間において、前記支持部の周囲に形成される空間を埋めるように形成されている
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記支持部は、前記発電体と前記ガスセパレータのいずれか上に、スクリーン印刷により接着されている
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記支持部は、前記シール部と同じ材料により形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記支持部は、前記発電体における前記内包領域よりも中央部よりの領域での前記発電体と前記ガスセパレータとの距離と略等しい高さを有する
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池であって、
前記支持部は、互いに離間して設けられた複数の凸部から成る
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、
前記発電体は、さらに、前記電極上に配置される多孔質体から成るガス拡散層を備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池であって、さらに、
多孔質体から成り、前記発電体と前記ガスセパレータとの間に配置される一対のガス流路形成部を備え、
少なくとも、前記一方のガスセパレータと接する前記ガス流路形成部は、前記発電体と共に前記シール部と一体で形成されている
燃料電池。
【請求項８】
表面に電極を形成した電解質膜を備える発電体と、ガスセパレータとを積層して成る燃料電池の製造方法であって、
前記ガスセパレータの外周近傍領域に、該ガスセパレータ表面に接着する支持部を形成する第１の工程と、
金型内に、前記支持部を形成した前記ガスセパレータを配置する第２の工程と、
前記ガスセパレータ上に、外周部において前記支持部と接するように前記発電体を配置する第３の工程と、
前記金型内に成形材料を投入することによって、前記発電体の外周部において該発電体の外周部を内包すると共に、前記発電体と前記ガスセパレータとの間において前記支持部の周囲に形成される空間が、前記成形材料によって埋められるように形成されたシール部を、前記発電体および前記ガスセパレータと一体成形する第４の工程と
を備える燃料電池の製造方法。
【請求項９】
表面に電極を形成した電解質膜を備える発電体と、ガスセパレータとを積層して成る燃料電池の製造方法であって、
前記発電体の外周近傍領域に、該発電体表面に接着する支持部を形成する第１の工程と、
金型内に、前記ガスセパレータを配置する第２の工程と、
前記ガスセパレータ上に、前記支持部を形成した前記発電体を、前記支持部が前記ガスセパレータの外周部に接するように配置する第３の工程と、
前記金型内に成形材料を投入することによって、前記発電体の外周部において該発電体の外周部を内包すると共に、前記発電体と前記ガスセパレータとの間において前記支持部の周囲に形成される空間が、前記成形材料によって埋められるように形成されたシール部を、前記発電体および前記ガスセパレータと一体成形する第４の工程と
を備える燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第１の工程は、スクリーン印刷により前記支持部を形成する工程である
燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項８ないし１０いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第１の工程は、前記シール部と同じ材料により前記支持部を形成する工程である
燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
請求項８ないし１１いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、
前記支持部は、前記第３の工程において前記発電体を配置したときに、該発電体が全体として、前記ガスセパレータから一定の距離だけ離間した平坦面を形成可能となる高さを有する
燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
請求項８ないし１２いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、さらに、
前記第３の工程に先立って、前記ガスセパレータ上に、多孔質体から成るガス流路形成部を配置する第５の工程を備え、
前記第３の工程は、前記ガス流路形成部上に前記発電体を配置する工程である
燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
請求項８ないし１３いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、
前記発電体は、さらに、前記電極上に配置される多孔質体から成るガス拡散層を備える
燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
請求項８ないし１４いずれか記載の燃料電池の製造方法によって製造された燃料電池。
【請求項１６】
複数個積層されることにより燃料電池を構成する燃料電池用積層部材であって、
ガスセパレータと、
前記ガスセパレータの一方の面側に配置され、電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備える発電体と、
前記発電体の外周部において、該発電体と一方の前記ガスセパレータのいずれかに接着して設けられ、前記発電体と前記一方のガスセパレータとの間の距離を高さとする支持部と、
前記ガスセパレータの外周部上における前記支持部が形成された領域を含む領域に設けられ、前記発電体の外周部を内包し、前記支持部の周囲に形成される空間を埋めるように、前記ガスセパレータおよび前記発電体と一体で形成されたシール部と
を備える燃料電池用積層部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池、その製造方法、および燃料電池用積層部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質層や電極あるいはガスセパレータを含む板状部材を、所定の順序で順次積層することによって形成される。このような構成の一例として、電解質膜と一体で、電解質膜の外周に、ガスシール性を確保するためのシール部材を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構成では、電解質膜を含む部材を金型内に配置した後、金型内にシール部材の材料を充填することによって、電解質膜とシール部材とが一体成形される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４２８３６号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６４２４号公報
【特許文献３】特開２００２−１２４２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように電解質膜とシール部材とを金型内で一体成形する場合には、電解質膜あるいは電解質膜を含む部材（例えば、電解質膜と、電解質膜上に形成した電極と、電極上に配置したガス拡散層）の剛性が不十分であるために、成形時に、これらの部材を金型内で所望の位置に保持することが困難となる場合があった。すなわち、成形時に、電解質膜を含む部材の外周部が、金型内で重力により垂れ下がる場合があった。上記部材が金型内で垂れ下がると、垂れ下がった上記部材が、シール部材の材料が金型内に行き渡るのを妨げる可能性がある。このようにシール部材の材料が金型内で行き渡らない箇所が生じると、金型に応じた所望の形状のシール部材が成型されなくなり、このようなシール部材を用いると、燃料電池におけるガスシール性が不十分になる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、金型内で電解質膜とシール部材とを一体成形する際に、電解質膜を所望の位置に保持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ために、本発明の燃料電池は、
電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備える発電体と、
前記発電体の外周部で該発電体の外周部を内包し、該発電体と一体で形成されたシール部と、
前記発電体の両側に配置され、前記シール部と接触するガスセパレータと、
前記シール部が前記発電体を内包する内包領域と重なる領域において、前記発電体と一方の前記ガスセパレータのいずれかに接着して設けられ、前記発電体と前記一方のガスセパレータとの間の距離を高さとする支持部と
を備え、
前記シール部は、前記発電体と前記一方のガスセパレータとの間において、前記支持部の周囲に形成される空間を埋めるように形成されていることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、ガスセパレータ上に支持部を設けているため、シール部を、金型を用いて発電体および一方のガスセパレータと一体形成する際に、金型内で支持部によって発電体を支持することができ、剛性の低い発電体が金型内で重力により垂れ下がることがない。すなわち、支持部によって、金型内で発電体を積層方向に位置決めすることができる。また、支持部が、発電体と一方のガスセパレータとのいずれかに接着して設けられているため、上記金型内にシール部の構成材料を投入する際にも、支持部は、発電体を支持することができる。したがって、成形材料が金型内の空間に行き渡るのを、発電体の外周部が妨げることがなく、所望の形状のシール部を形成することができる。
【０００８】
本発明の燃料電池において、前記支持部は、前記発電体と前記ガスセパレータのいずれか上に、スクリーン印刷により接着されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガスセパレータ上の所定の位置に支持部を形成する動作を、複数のガスセパレータに対して効率よく行なうことが可能になる。そのため、製造工程の複雑化を抑制しつつ、発電体外周の垂れ下がりを抑えることができる。
【０００９】
本発明の燃料電池において、前記支持部は、前記シール部と同じ材料により形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、支持部を設けることに起因して、シール部において望ましくない不均一な応力が生じることを抑制できる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、前記支持部は、前記発電体における前記内包領域よりも中央部よりの領域での前記発電体と前記ガスセパレータとの距離と略等しい高さを有することとしても良い。このような構成とすれば、シール部の構成材料が金型内の空間に行き渡ることを確保する効果を、より高めることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池において、前記支持部は、互いに離間して設けられた複数の凸部から成ることとしても良い。このような構成とすれば、シール部の構成材料は、突起状の凸部間を通過して、金型内の空間に広がることができる。そのため、凸部を設けることに起因するシール部の構成材料の移動の妨げを、抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、前記発電体は、さらに、前記電極上に配置される多孔質体から成るガス拡散層を備えることとしても良い。このような構成とすれば、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、電極表面における集電性を高め、また、電解質膜を保護することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池において、さらに、多孔質体から成り、前記発電体と前記ガスセパレータとの間に配置される一対のガス流路形成部を備え、少なくとも、前記一方のガスセパレータと接する前記ガス流路形成部は、前記発電体と共に前記シール部と一体で形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、シール部とガス流路形成部とを一体化することにより、発電体とガスセパレータとの間に形成されるガス流路におけるガスシール性を向上させることができる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、燃料電池用積層部材などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
Ａ．実施例の燃料電池の構成：
図１は、第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する単位であるセルアセンブリ１０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ１０間にガスセパレータ３０を介在させつつセルアセンブリ１０を積層させたスタック構造を有している。
【００１６】
セルアセンブリ１０は、図１に示すように、発電積層部１１と、シール部１６と、によって構成されている。図２に示すように、発電積層部１１は、発電体１２と、発電体１２を挟持する一対のガス流路形成部１４，１５とによって構成される。発電体１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０の表面に形成された一対の電極（カソード２２およびアノード２４）とから成るＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１３と、ＭＥＡ１３を挟持する一対のガス拡散層２６，２８と、によって形成される。
【００１７】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜２０上に触媒電極を形成したＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とを、プレス接合により一体化することで、発電体１２が作製される。このガス拡散層２６，２８は、後述するガス流路形成部１４，１５よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。そのため、ガス拡散層２６，２８を設けることによって、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部１４，１５と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜２０を保護することもできる。ただし、ガス流路形成部１４，１５の構成材料や気孔率によっては、ガス拡散層２６，２８を設けないこととしても良い。
【００１８】
ガス流路形成部１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、発電体１２およびガスセパレータ３０と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソード２２とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。また、アノード２４とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。
【００１９】
ここで、隣り合うガスセパレータ３０間であって発電積層部１１の外周部には、発電体１２の外周部を内包するシール部１６が設けられている。シール部１６は、弾性材料、すなわち、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマによって形成されている。図１および図２に示すように、シール部１６は、一方の側において、隣接する一方のガスセパレータ３０と隙間無く接触している。ここで、上記隣接する一方のガスセパレータ３０の表面には、シール部１６が発電体１２を内包する内包領域と重なる領域において、発電体１２と接する複数の凸部である支持凸部６２が設けられている。そのため、シール部１６における上記一方の側は、上記複数の支持凸部６２に対応する形状となっている。シール部１６は、発電積層部１１と共に、上記隣接する一方のガスセパレータ３０と一体で形成されており、上記隣接する一方のガスセパレータ３０に形成された支持凸部６２は、シール部１６を形成する際に発電体１２を支持する働きを有する。支持凸部６２の構成およびシール部１６の製造工程については、後に詳述する。なお、シール部１６の他方の側にはガス止め凸部６０が形成されており、シール部１６は、このガス止め凸部６０の頭頂部において、隣接する他方のガスセパレータ３０と接触する。
【００２０】
図３は、発電積層部１１とシール部１６とが一体形成されたセルアセンブリ１０の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部（後述する６つの穴部４０〜４５）と、中央部に設けられて発電積層部１１が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。この図３は、図１における右側から見た図であって、既述したガス止め凸部６０が形成された側を表わしており、中央部に設けられた穴部に嵌め込まれた発電積層部１１においては、ガス流路形成部１４が表面に表われている。
【００２１】
図３に示すように、ガス止め凸部６０は、シール部１６の中央部に設けられた穴部に組み込まれたガス流路形成部１４の外周、および、シール部１６の外周部に設けられた６つの穴部の各々を囲むように、全体として連続して形成された線状凸部である。シール部１６は、弾性材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記したガス止め凸部６０とガスセパレータ３０との接触部位において、ガスシール性を確保可能となる。ここで、ガス止め凸部６０は、全体として高さおよび頭頂部の幅が略一定に形成されている。そのため、ガス流路形成部１４および６つの穴部を囲むガス止め凸部６０は、全体として略均一な応力を、隣接するガスセパレータ３０との間に生じることができ、良好なガスシール性を実現することができる。なお、以下の説明では、発電積層部１１において、シール部１６の中央部に形成される穴部で露出している部分に対応する領域を、発電領域ＤＡと呼ぶ。
【００２２】
ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。図４は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図であり、図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。これら図４〜図６は、各プレートを、図３に示すシール部１６と同じ側、すなわち、図１における右側から見た様子を表わす図である。これら図４〜図６では、既述した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。
【００２３】
カソード側プレート３１、アノード側プレート３２は、いずれも、その外周部においてシール部１６と同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記各薄板状部材では、略四角形状である外周の一辺の近傍に穴部４０が形成されている。また、近傍に穴部４０が形成された辺と対向する辺の近傍には、穴部４１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には穴部４２，４４が形成されており、他方の辺の近傍には穴部４３，４５が形成されている。なお、中間プレート３３は、上記６つの穴部のうち、穴部４４，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。
【００２４】
上記各薄板状部材が備える穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ2 inと表わす）、穴部４１は、各セル内酸化ガス流路から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ2 outと表わす）。また、穴部４３は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ2 inと表わす）、穴部４２は、各セル内燃料ガス流路から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ2 outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、ＣＬＴ inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、ＣＬＴ outと表わす）。
【００２５】
また、カソード側プレート３１は、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（図４における上端部）に沿って設けられ、カソード側プレート３１を貫通して形成された酸化ガス供給スリット５０を備えている。また、同様に、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（図４における下端部）に沿って設けられた酸化ガス排出スリット５１を備えている（図４参照）。
【００２６】
アノード側プレート３２は、カソード側プレート３１と同様に、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（図５における上端部）に沿って設けられ、アノード側プレート３２を貫通して形成された燃料ガス排出スリット５２を備えている。また、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（図５における下端部）に沿って設けられた燃料ガス供給スリット５３を備えている（図５参照）。これらの燃料ガス排出スリット５２および燃料ガス供給スリット５３は、それぞれ、酸化ガス供給スリット５０および酸化ガス排出スリット５１と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに配置されている。
【００２７】
中間プレート３３においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３３の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに酸化ガス供給スリット５０と重なり合うように形成されており、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス供給スリット５０とを連通させる。また、穴部４１においても同様に、酸化ガス排出スリット５１と重なるように、複数の連通部５５が設けられている（図６参照）。さらに、中間プレート３３には、穴部４３および穴部４２の各々に連通して、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５３あるいは燃料ガス排出スリット５２と重なる形状の、連通部５７および連通部５６が設けられている。
【００２８】
燃料電池の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の酸化ガス供給スリット５０とを介して、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化ガス流路へと流入する。セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部１４に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部１４からガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつセル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の酸化ガス排出スリット５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４３が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５７が形成する空間と、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５３とを介して、ガス流路形成部１５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。セル内燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部１５からガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつセル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３２の燃料ガス排出スリット５２および中間プレート３３の連通部５６が形成する空間を介して、穴部４２が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００２９】
図３ないし図６では、図１に示した断面図に相当する位置を、１−１断面として示している。図１では、１−１断面において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート３３の連通部５４およびカソード側プレート３１の酸化ガス供給スリット５０を介して、ガス流路形成部１４内へと酸化ガスが供給される様子が矢印で表わされている。また、１−１断面において、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の酸化ガス排出スリット５１および中間プレート３３の連通部５５を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子が表わされている。
【００３０】
図５では、アノード側プレート３２上に、さらに、既述した支持凸部６２が形成された様子が示されている。支持凸部６２は、発電領域ＤＡの外側であって発電体１２と重なる領域（既述した内包領域と重なる領域）において、互いに離間する規則的な位置に設けられた複数個の突起として形成されている（図５参照）。これらの支持凸部６２の高さは、ガス流路形成部１５の厚みと略同一となるように形成されている（図１、図２参照）。また、本実施例では、支持凸部６２は、シール部１６と同じ構成材料を用いて形成されている。
【００３１】
なお、中間プレート３３は、さらに、発電領域ＤＡを含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００３２】
Ｂ．実施例の燃料電池の製造方法：
本実施例では、燃料電池を作製する際に、シール部１６を、発電積層部１１に加えて、隣接する一方のガスセパレータ３０と一体で成形している。図７は、本実施例の燃料電池の製造工程を表わす説明図である。また、図８（Ａ）は、所定の形状の金型を用いて、射出成形によって、シール部１６を、発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体形成する様子を表わす説明図であり、図８（Ｂ）は、一体形成された部材の様子を表わす断面模式図である。
【００３３】
本実施例の燃料電池を製造する際には、まず、発電体１２と、ガス流路形成部１４，１５と、ガスセパレータ３０とを用意する（ステップＳ１００）。その後、用意したガスセパレータ３０の一方の面上に、支持凸部６２を形成する（ステップＳ１１０）。本実施例では、支持凸部６２は、スクリーン印刷法により形成している。具体的には、支持凸部６２を形成すべき位置に対応した形状のパターンを形成したスクリーン膜と、シール部１６と同じ構成材料からなるインクとを用いて、ガス流路形成部１５の厚みと略同一の膜厚となるように、スクリーン印刷を行なう。
【００３４】
また、シール部１６を一体成形するための金型を用意する（ステップＳ１２０）。金型は、図８（Ａ）に示すように、上型７２と下型７０とを備えている。金型内には、ガスセパレータ３０と発電体１２とガス流路形成部１４，１５が丁度嵌り込む凹凸形状が形成されている。また、上型７２には、形成すべきシール部１６の形状に対応する凹凸形状、具体的には、既述したガス止め凸部６０の形状に対応する凹凸形状が形成されている。
【００３５】
次に、下型７０に、ガスセパレータ３０を配置する（ステップＳ１３０）。本実施例では、ガスセパレータ３０は、カソード側プレート３１を下方にし、支持凸部６２が設けられたアノード側プレート３２を上方にして、配置される。そして、配置したガスセパレータ３０上に、さらに、ガス流路形成部１５、発電体１２、ガス流路形成部１４を順次配置する（ステップＳ１４０）。このように各部材を金型内に配置したときには、発電体１２におけるガス流路形成部１５と重なる領域は、ガス流路形成部１５によって支持される。また、発電体１２におけるガス流路形成部１５と重ならない外周領域は、ガスセパレータ３０上に設けられた支持凸部６２によって支持される（図８（Ａ）参照）。既述したように、支持凸部６２は、発電体１２が配置される領域にわたって設けられており、ガス流路形成部１５の厚みと略同一の高さとなるように形成されている。そのため、金型内では、発電体１２は、ガス流路形成部１５および支持凸部６２に支持されることによって、全体として、ガスセパレータ３０から一定の距離だけ離間した平坦面を形成する状態で保持される。
【００３６】
金型内に各部材を配置すると、所定の型圧で型締めし、射出成形を行なってシール部１６を一体成形する（ステップＳ１５０）。図８（Ａ）に示すように、各部材が配置された金型内には、発電積層部１１の外側近傍において、シール部１６の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図８（Ａ）に示すように、ガスセパレータ３０のアノード側プレート３２側の面と、下型７０および上型７２の内壁面と、発電積層部１１の外周部表面とによって区画される。また、金型の上型７２においては、マニホールド用穴部４０〜４５が形成される位置に、開口７４を備えて厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。射出成形の際には、シール部１６の成形材料としての液状ゴムが、上述した開口７４から貫通孔を介して空間ＳＰへと投入された後、加硫工程が行われる。なお、本実施例では、射出成形時には、燃料電池を組み立てた際に燃料電池に加えられる締結圧と同じ圧力が、発電積層部１１およびガスセパレータ３０に加えられるように、型締めが行なわれる。すなわち、積層された燃料電池内と同じ状態にして、シール部１６の一体形成が行なわれる。
【００３７】
このような射出成形においては、成形材料がガス拡散層２６，２８およびガス流路形成部１４，１５の端部に含浸されるように、すなわち、これらの多孔質体の外周部の細孔内に成形材料が入り込んで、発電積層部１１とシール部１６とが一体化するように、成形材料の投入圧力が制御される。また、成形材料にシランカップリング剤を添加することにより、シール部１６とガスセパレータ３０の接触面における結合力が確保され、シール部１６とガスセパレータ３０とが接着・密着される。射出成形後、型開きすることで、図８（Ｂ）に示すように、セルアセンブリ１０とガスセパレータ３０とが一体化した構成単位が得られる。
【００３８】
このようにして構成単位を複数作製すると、これらの構成単位を複数積層すると共に、構成単位から成る積層体の両端部に、出力端子を備える集電板と、絶縁性材料から成る絶縁板と、剛性の高いエンドプレートとをさらに積層して組み立てを行なう。そして、組み立てた積層体全体に積層方向に締結圧を加えつつ固定して（ステップＳ１６０）、燃料電池を完成する。
【００３９】
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、ガスセパレータ３０上に支持凸部６２を設けているため、シール部１６を一体形成する際に、金型内で支持凸部６２によって発電体１２を支持することができ、剛性の低い発電体１２が金型内で重力により垂れ下がることがない。すなわち、支持凸部６２によって、金型内で発電体１２を積層方向に位置決めすることができる。また、支持凸部６２が、スクリーン印刷法により、ガスセパレータ３０に接着して設けられているため、金型内にシール部１６の構成材料を投入する際にも、支持凸部６２は、発電体１２を支持することができる。したがって、成形材料が金型内の空間ＳＰに行き渡るのを、発電体１２の外周部が妨げることがなく、所望の形状のシール部１６を形成することができる。特に、本実施例では、支持凸部６２を、ガス流路形成部１５の厚み、すなわち、ガスセパレータ３０の平坦部と発電体１２との距離と、略同一の高さに形成しているため、発電体１２が全体として、ガスセパレータ３０から一定の距離だけ離間した平坦面を形成する状態で保持されることになる。そのため、成形材料が金型内の空間ＳＰに行き渡ることを確保する効果を、より高めることができる。
【００４０】
ここで、金型内での発電体１２外周の垂れ下がりを抑制するための他の方法として、例えば、発電体１２の外周部に心材を備えさせて、発電体１２の外周部の強度を高める構成も考えられる。しかしながらこの場合には、発電体１２の外周部に心材を配置する作業を、発電体１２の作製時に個々の発電体１２に対して行う必要があり、製造工程が複雑化してしまう。これに対して、本実施例では、ガスセパレータ３０上にスクリーン印刷法により支持凸部６２を設けているため、ガスセパレータ上の所定の位置に複数の支持凸部６２を形成する動作を、複数のガスセパレータに対して効率よく行なうことが可能になる。そのため、製造工程の複雑化を抑制しつつ、発電体１２外周の垂れ下がりを抑えることができる。
【００４１】
また、本実施例の支持凸部６２は、互いに離間して配置された複数の突起として形成されているため、成形材料は、突起状の支持凸部６２間を通過して、金型内の空間ＳＰに広がることができる。そのため、支持凸部６２を設けることに起因する成形材料の移動の妨げを、抑制することができる。
【００４２】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４３】
Ｃ１．変形例１：
実施例では、支持凸部６２を、ガスセパレータ３０上に設けることとしたが、発電体１２側に設けても良い。図９（Ａ）は、このような本発明の変形例としての燃料電池の製造工程の途中の様子を、図８（Ａ）と同様に表わす説明図である。また、図９（Ｂ）は、支持凸部６２を発電体１２側に設けて、シール部１６を発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体形成して得られる構成単位の様子を、図８（Ｂ）と同様に表わす説明図である。このような構成としても、実施例と同様の効果が得られる。なお、発電体１２は多孔質体であるが、特にスクリーン印刷法を用いる場合には、このような発電体１２上であっても、所望の位置に支持凸部６２を容易に形成することができる。
【００４４】
Ｃ２．変形例２：
実施例では、支持凸部６２を、シール部１６と同じ材料により形成したが、シール部１６とは異なる材料により形成しても良い。ただし、支持凸部６２の構成材料は、ゴムや熱可塑性エラストマなどの弾性材料を用いることが好ましく、このような材料を用いれば、支持凸部６２を設けることに起因してシール部１６において望ましくない不均一な応力が生じることを抑制できる。なお、シール部１６の構成材料よりも剛性の高い材料により支持凸部６２を形成する場合には、このような支持凸部６２上にガス止め凸部６０を形成すると、ガス止め凸部６０において部分的により大きな反力が生じ、ガス止め凸部６０全体として生じる反力が不均一になる。このようにガス止め凸部６０全体で反力が不均一になると、シール部１６によるシール性が低下する可能性があるため、部分的に反力が強まることに起因するシール性の低下を抑制するために、支持凸部６２は、ガス止め凸部６０の下部を避けて設けることが望ましい。
【００４５】
Ｃ３．変形例３：
実施例では、支持凸部６２を、スクリーン印刷法により形成したが、異なる方法により支持凸部６２を形成しても良い。例えば、射出成形またはディスペンサ塗布などによって支持凸部６２を形成することができる。予め、ガスセパレータ３０あるいは発電体１２に接着するように、ガスセパレータ３０あるいは発電体１２の表面に支持凸部６２を形成し、このように支持凸部６２を形成した部材を用いてシール部１６の一体成形を行なうならば、実施例と同様の効果を得ることができる。なお、支持凸部６２がガスセパレータ３０あるいは発電体１２上に設けられる際の接着性は、金型内に成形材料を充填してシール部１６を形成する際に、支持凸部６２が移動することなく、発電体１２の位置を維持することができる強度であれば良い。
【００４６】
Ｃ４．変形例４：
実施例では、支持凸部６２を複数の突起状としたが、異なる形状の凸部により、発電体１２を支持する支持部を形成しても良い。ただし、支持部は、成形材料が金型内で行き渡るのを妨げない形状とすることが望ましい。
【００４７】
Ｃ５．変形例５：
発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体成形するシール部１６は、射出成形以外の方法により形成しても良い。例えば、圧縮成形により、シール部１６を一体成形することができる。この場合には、金型内の空間ＳＰに固形の未加硫ゴムを充填し、金型を型締めして加熱することにより、成形と加硫とを同時に行う加硫圧縮成形を行なえば良い。
【００４８】
Ｃ６．変形例６：
実施例では、ガスセパレータ３０は、３枚のプレートを積層した三層構造を有することとしたが、異なる構成としても良い。異なる構造のガスセパレータを用いる場合であっても、ガスセパレータ３０あるいは発電体１２の表面であって、ガス流路形成部を配置する領域の外側領域に、同様の支持部を設ければ、実施例と同様の効果を得ることができる。ここで、ガスセパレータにおける発電領域ＤＡは平坦面である必要はなく、例えば、ガスセパレータ表面にセル内ガス流路を形成するための溝を設けることとしても良い。
【００４９】
Ｃ７．変形例７：
実施例では、シール部１６において、アノード側プレート３２と接する側を平坦面にして、カソード側プレート３１と接する側にガス止め凸部６０を設けたが、異なる形状としても良い。例えば、シール部１６においてガス止め凸部６０を設ける面と平坦面とを逆にして、カソード側プレート３１上で、発電積層部１１と共にシール部１６を一体成形することとしても良い。
【００５０】
ここで、実施例のように、シール部１６におけるアノード側プレート３２と接する面を平坦面として、シール部１６とガスセパレータ３０とを接着・密着させる場合には、漏れが生じやすい水素に関するシール性を、より高めることができる。また、シール部１６におけるカソード側プレート３１と接する面を平坦面として、シール部１６とガスセパレータ３０とを接着・密着させる場合には、一般的にガス圧がより高い酸化ガス側において、シール性をより高めることができる。
【００５１】
Ｃ８．変形例８：
実施例では、発電積層部１１を構成する各部材は、いずれも略同一の大きさであって互いに重なり合い、発電積層部１１の端部は１つの平面を形成することとしたが、異なる構成としても良い。すなわち、ＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とは、各々が異なる大きさに形成される、あるいは、各々の外周の位置が互いにずれるように配置されることとしても良い。
【００５２】
Ｃ９．変形例９：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。例えば、固体酸化物電解質型燃料電池とすることができる。シール部の構成材料を、ゴムや熱可塑性エラストマーなどの弾性材料から適宜選択可能な運転温度を示す燃料電池であれば、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。
【図３】セルアセンブリ１０の概略構成を表わす平面図である。
【図４】カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。
【図５】アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。
【図６】中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【図７】実施例の燃料電池の製造工程を表わす説明図である。
【図８】シール部１６を一体形成する様子、および、一体形成された部材の様子を表わす説明図である。
【図９】シール部１６を一体形成する様子、および、一体形成された部材の様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…セルアセンブリ
１１…発電積層部
１２…発電体
１３…ＭＥＡ
１４，１５…ガス流路形成部
１６…シール部
２０…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６，２８…ガス拡散層
３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０…酸化ガス供給スリット
５１…酸化ガス排出スリット
５２…燃料ガス排出スリット
５３…燃料ガス供給スリット
５４〜５７…連通部
５８…冷媒孔
６０…ガス止め凸部
６２…支持凸部
７０…下型
７２…上型
７４…開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008192403.tif 000008
【図７】
2008192403.tif 000009
【図８】
2008192403.tif 000010
【図９】
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