(57)【要約】【課題】異種の合成樹脂層材料の接合技術を燃料電池に応用して、燃料電池を一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現するとともに、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現するために、ＰＥＭの乾燥を防止した、燃料電池を提供する。【解決手段】隣接するセパレータのうち、一のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー透過性樹脂層であり、他のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー吸収性樹脂層であり、上記一対のセパレータを積層した状態で、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、上記レーザー吸収性樹脂層を溶融することにより隣接する樹脂層同士を接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層と拡散層とを備える電極構造体を一対のセパレータで挟持して構成された単セルを、複数層積層してなる燃料電池において、
前記セパレータは、金属製内側部材と前記金属製内側部材の外周部に設けられた熱可塑性樹脂層とを備え、
隣接するセパレータのうち、一のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー透過性樹脂層であり、他のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー吸収性樹脂層であり、前記一対のセパレータを積層した状態で、前記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記レーザー吸収性樹脂層を溶融することにより隣接する樹脂層同士を接合したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記隣接する各セパレータの平面視において、レーザー照射部が環状体を形成し、電極構造体が前記環状体の内部に位置す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】
前記レーザー透過性樹脂層を備えるセパレータと、前記レーザー吸収性樹脂層を備えるセパレータとの接合時に、これらの隣接するセパレータによって電極構造体を挟持しながらレーザーを照射したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
隣接しない２枚のセパレータを構成するレーザー透過性樹脂層の各々によって、これらのセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら３つの樹脂層によって形成された２つの界面を同時に接合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
２枚のセパレータを構成する各レーザー透過性樹脂層が突起状部を有し、これら２つのレーザー透過性樹脂層が隣接するとともに、これらのレーザー透過性樹脂層によって、前記２枚のセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら３つの樹脂層によって形成された３つの界面を同時に接合したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
隣接する２枚のセパレータが、それぞれレーザー吸収性樹脂層を備えるとともに、それらの外周部にレーザー透過性樹脂層を備え、前記２枚のセパレータを積層して、これら４つの樹脂層によって形成された４つの界面を同時に接合したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記４つ界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の接点付近に形成された４つの界面をレーザー照射によって同時に接合したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
隣接する２枚のセパレータを構成する２つのレーザー透過性樹脂層を積層する際に、これら２つのレーザー透過性樹脂層間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、これら３つの樹脂層により２つの界面を形成し、前記２枚のセパレータによって電極構造体を挟持しながらレーザーを照射して、前記前記２つの界面を同時に接合したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記２つの界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、２つの界面を形成し、この２つの界面をレーザーを照射して同時に接合したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層と、レーザー吸収性部材を有する電極構造体とを積層するとともに、前記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記電極構造体のレーザー吸収性部材を溶融することにより、前記セパレータと前記電極構造体とを接合したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層と電極構造体とにより熱吸収材を挟持して、２つの界面を形成し、前記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記熱吸収材を溶融することにより、前記２つの界面を同時に接合したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記レーザー透過性樹脂層として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はシリコーンゴム被覆がなされた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたことを特徴とする請求項３，６，８，又は１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記レーザー吸収性樹脂層として、カーボン又は色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたことを特徴とする請求項３，６，又は８に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記電極構造体のレーザー吸収性部材として、気体透過性の金属材料（発泡金属若しくは細線金属フェルト）、又はカーボン材料を用いたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記熱吸収材として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はカーボン若しくは色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記レーザー吸収性樹脂層を、前記レーザー透過性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー透過性樹脂層と一体化したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記レーザー透過性樹脂層を、前記レーザー吸収性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー吸収性樹脂層と一体化したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記電極構造体のレーザー吸収性部材が、プロトン交換膜と、前記プロトン交換膜の一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層と、前記プロトン交換膜の他の側に位置し、前記大型拡散層よりも表面積が小さい小型拡散層とからなるとともに、前記大型拡散層が気体透過性の金属材料又はカーボン材料からなり、前記大型拡散層が、隣接するセパレータの樹脂層と一体成形されたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記電極構造体のレーザー吸収性部材の外周部及び連通口内周部の少なくとも一方に、補強リブを設けたことを特徴とする請求項１０又は１８に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記電極構造体のレーザー吸収性部材の外周部に、組み付け用ガイド孔を設けたことを特徴とする請求項１０，１８又は１９に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記電極構造体のプロトン交換膜の露出部界面に接着剤を塗布してシールを形成したことを特徴とする請求項６又は８に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、燃料電池の小型化を図るとともに、プロトン交換膜（Proton Exchange Membrane、以下、単に、「ＰＥＭ」と称する。）の優れた抵抗率を実現した燃料電池の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、平板状の電極構造体（Membrane Electrode Assembly、以下、単に、「ＭＥＡ」と称する。）の両側にセパレータが積層された単セルが１ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。ＭＥＡは、正極（カソード）及び負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂層等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、ＭＥＡのガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。上記構成の燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】
このような燃料電池は、耐久性や気密性等の向上のため、ＭＥＡとセパレータとからなる単セルを形成する際、又は上記単セル同士を積層する際に、優れた位置合わせ等を実現せねばならず、この位置合わせ等の精度を高いレベルで得るために、種々の技術が提案されている。
【０００４】
即ち、例えば、上記位置合わせに関する技術には、保持ピン挿入側保持孔と止め輪挿入側保持孔に挿入して止め輪と組み合わせて単電池を保持する保持ピンの先端ピンをセパレータの外面より突出させ、隣接する単電池の保持ピンの一端に備えたピン先端挿入穴に嵌め合わせて単電池を積層した燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。また、燃料電池の耐食性と気密性を向上させる技術には、金属板が、燃料電池の燃料ガス、酸化ガス、又は冷媒の各流路を有するとともに、樹脂層部が、燃料ガス、酸化ガス、又は冷媒を流通するための各連通口を有して構成された燃料電池用金属セパレータとして構成し、射出成形によって金属板と樹脂層部と一体に形成して製造したセパレータが開示されている（特許文献２参照）。さらに、部材間の接合の容易化と意匠効果の向上等を目的とした樹脂層の接合技術には、異種の合成樹脂層材料を重ね合わせて両者を接合するにあたり、一方の樹脂層材料をレーザー透過性とするとともに、他方の樹脂層材料をレーザー吸収性とし、これらを重ね合わせた後に、レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射する異種合成樹脂層材料の接合方法が開示されている（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１２０６７号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開２００３−２２３９０３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】特公昭６２−４９８５０号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載された技術は、固体高分子型燃料電池の組立てにおいて、高分子樹脂層に飽和に含水させることにより、抵抗率の低いＰＥＭが形成される。しかしながら、この優れた抵抗率は膜の乾燥によりその効果が希薄化するという問題がある。また、この技術においては、シールを有するセパレータによってＭＥＡを挟持して単セルを形成し、この段階でＰＥＭの乾燥を防止した後に、それらの単セルを積層して燃料電池の組立体を形成する。この場合には、単セルを形成する際に、一対のセパレータ及び高分子膜に穴を開け、これらをピン等で締結する構造が採用されていることから、このピン締結部が大きな面積を占めており、燃料電池の小型化が困難であるという問題もある。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載の技術は、単セルを形成するセパレータの構造において、電極対応部に金属を、流体を連通させる連通口部を樹脂層から製造するものであり、単セルを組立てるためのピン締結部が省略されたものである。このため、この技術は、上記特許文献１に記載の技術に比して製造工程の簡略化が図られているといえる。しかしながら、上記膜の乾燥に対しては、シール材を使用しているため、完全に乾燥を防止することが困難であるという問題がある。
【０００８】
さらに、特許文献３に記載技術は、異種の合成樹脂層材料を、両合成樹脂層材料の強度を低下させることなく、レーザーによって容易に接合する方法であるが、この技術文献には、当該技術が燃料電池に応用できるという記載はなく、その検討についてもなされていないのが現状である。
【０００９】
このような事情に鑑み、近年においては、一対のセパレータ及び高分子膜に穴を開けず、これらをピン等による機械的締結手段を用いずに接合し、燃料電池の小型化を実現する技術の開発が要請されている。また、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現するために、ＰＥＭの乾燥を防止する技術の開発も要請されている。さらに、特許文献３に記載の異種の合成樹脂層材料の接合技術が燃料電池に応用できるのであれば、今後の燃料電池分野においては、目覚ましい技術進歩が期待できる。
【００１０】
本発明は、上記種々の要請に鑑みてなされたものであり、特に、異種の合成樹脂層材料の接合技術を燃料電池に応用して、燃料電池を一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現するとともに、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現するために、ＰＥＭの乾燥を防止した、燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、本発明の燃料電池（第１発明）は、電解質膜の両面に触媒層と拡散層とを備えるＭＥＡを一対のセパレータで挟持して構成された単セルを、複数層積層してなり、上記セパレータは、金属製内側部材と上記金属製内側部材の外周部に設けられた熱可塑性樹脂層とを備え、隣接するセパレータのうち、一のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー透過性樹脂層であり、他のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー吸収性樹脂層であり、上記一対のセパレータを積層した状態で、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、上記レーザー吸収性樹脂層を溶融することにより隣接する樹脂層同士を接合したことを特徴としている。
【００１２】
上記第１発明においては、隣接する各セパレータの平面視において、レーザー照射部が環状体を形成し、ＭＥＡが前記環状体の内部に位置すること（第２発明）が望ましい。
【００１３】
また、上記第１，２発明においては、上記レーザー透過性樹脂層を備えるセパレータと、上記レーザー吸収性樹脂層を備えるセパレータとの接合時に、これらの隣接するセパレータによってＭＥＡを挟持しながらレーザーを照射したこと（第３発明）が望ましい。
【００１４】
さらに、上記第１〜３発明においては、隣接しない２枚のセパレータを構成するレーザー透過性樹脂層の各々によって、これらのセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら３つの樹脂層によって形成された２つの界面を同時に接合したこと（第４発明）や、２枚のセパレータを構成する各レーザー透過性樹脂層が突起状部を有し、これら２つのレーザー透過性樹脂層が隣接するとともに、これらのレーザー透過性樹脂層によって、上記２枚のセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら３つの樹脂層によって形成された３つの界面を同時に接合したこと（第５発明）や、隣接する２枚のセパレータが、それぞれレーザー吸収性樹脂層を備えるとともに、それらの外周部にレーザー透過性樹脂層を備え、上記２枚のセパレータを積層して、これら４つの樹脂層によって形成された４つの界面を同時に接合したこと（第６発明）が望ましい。なお、上記第６発明においては、上記４つ界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の接点付近に形成された４つの界面をレーザー照射によって同時に接合したこと（第７発明）が望ましい。
【００１５】
加えて、上記第１〜７発明においては、隣接する２枚のセパレータを構成する２つのレーザー透過性樹脂層を積層する際に、これら２つのレーザー透過性樹脂層間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、これら３つの樹脂層により２つの界面を形成し、上記２枚のセパレータによってＭＥＡを挟持しながらレーザーを照射して、上記２つの界面を同時に接合したこと（第８発明）が望ましい。なお、上記第８発明においては、上記２つの界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、２つの界面を形成し、この２つの界面をレーザーを照射して同時に接合したこと（第９発明）が望ましい。
【００１６】
最後に、上記第１〜９発明においては、セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層と、レーザー吸収性部材を有するＭＥＡとを積層するとともに、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記ＭＥＡのレーザー吸収性部材を溶融することにより、上記セパレータと前記ＭＥＡとを接合したこと（第１０発明）や、セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層とＭＥＡとにより熱吸収材を挟持して、２つの界面を形成し、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、上記熱吸収材を溶融することにより、上記２つの界面を同時に接合したこと（第１１発明）が望ましい。
【００１７】
以上に記載した第１〜１１発明は、燃料電池の各構成部材の接合態様に関する本発明の根幹部分である。以下に、燃料電池の各構成部材の材料選択等に関する、さらに好適な本発明を記載する。
上記第１〜１１発明においては、上記レーザー透過性樹脂層として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はシリコーンゴム被覆がなされた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたこと（第１２発明）が望ましく、また、上記レーザー吸収性樹脂層として、カーボン又は色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたこと（第１３発明）が望ましい。
【００１８】
また、上記第１０発明においては、上記ＭＥＡのレーザー吸収性部材として、気体透過性の金属材料（発泡金属若しくは細線金属フェルト）、又はカーボン材料を用いたこと（第１４発明）が望ましく、上記第１１発明においては、上記熱吸収材として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はカーボン若しくは色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いたこと（第１５発明）が望ましい。
【００１９】
さらに、上記第８発明においては、上記レーザー吸収性樹脂層を、上記レーザー透過性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー透過性樹脂層と一体化したこと（第１６発明）が望ましく、上記第６発明においては、上記レーザー透過性樹脂層を、上記レーザー吸収性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー吸収性樹脂層と一体化したこと（第１７発明）が望ましい。
【００２０】
加えて、上記第１０発明においては、上記ＭＥＡのレーザー吸収性部材が、ＰＥＭと、上記ＰＥＭの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層と、上記ＰＥＭの他の側に位置し、上記大型拡散層よりも表面積が小さい小型拡散層とからなるとともに、上記大型拡散層が気体透過性の金属材料又はカーボン材料からなり、上記大型拡散層が、隣接するセパレータの樹脂層と一体成形されたこと（第１８発明）が望ましく、上記第１０，１８発明においては、上記ＭＥＡのレーザー吸収性部材の外周部及び連通口内周部の少なくとも一方に、補強リブを設けたこと（第１９発明）が望ましい。
【００２１】
最後に、上記第１０，１８，又は１９発明においては、上記ＭＥＡのレーザー吸収性部材の外周部に、組み付け用ガイド孔を設けたこと（第２０発明）が望ましく、上記第６又は８発明においては、上記ＭＥＡのＰＥＭの露出部界面に接着剤を塗布してシールを形成したこと（第２１発明）が望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
以上に示した種々の本発明（上記第１〜２１発明）によれば、異種の合成樹脂層材料の接合技術を応用し、一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現するとともに、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現するために、ＰＥＭの乾燥を防止した、燃料電池を提供することができる。具体的には、第１発明において、異種の合成樹脂層材料の接合技術を応用し、一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現することができ、上記第２発明において、ＰＥＭの乾燥を防止して、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現することができる。なお、上記第３〜２１発明は、上記第１，２発明を前提とした、種々のバリエーションの発明である。
【００２３】
なお、本発明の従来技術との比較における他の効果を以下に列挙する。即ち、シールの信頼性が高いレベルで要求されるセルスタック構造においては、従来は、シリコーン材リブシール部の高さ精度やシール面の面粗度のばらつき、積層時の面圧のばらつき、熱劣化によるシール性低下、圧力異常時のバースト耐圧の低下、及びガス透過等の不具合があった。しかしながら、本発明によれば、上記種々の構成により、これらの不具合が全て解消された。また、本発明では、レーザー照射による接合を採用を採用しているため、従来使用されていたシールが必要ない。このため、樹脂枠面の積層荷重が不要となり、従来必要であった、シール面圧と電極面圧とのバランス管理も不要である。また、このようなことから、発明のバリエーション（下記に示す好適な実施形態のうちの少なくとも１つ）によっては、電極部のみの荷重による面圧管理を容易にすることができる。
【００２４】
さらに、従来、薄肉成形された樹脂枠及び電極部のプレスセパレータは、成形後に反りやうねりが発生し易く、液状シールなどの塗布は非常に生産性が低く、セルの形成が困難であった。しかしながら、本発明では、接合工程時にセパレータに反りやうねりがあっても、レーザー接合時に矯正可能なガラスやアクリル、ＰＣ等の透明な押え治具によって、接合界面を密着させて容易にレーザー接合可能なため、高い生産性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の燃料電池の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。
（実施形態１−１：請求項１〜３，５，１２，１３に対応）
図１は、本発明の燃料電池の好適な一の実施形態を示す部分断面図である。図１（ａ）は、２枚のセパレータ１，２を積層する際にＭＥＡ３を挟持し、これらを一体化する場合の、各構成部材について示す。図１（ａ）に示すように、２枚のセパレータ１，２は、それぞれ、金属製部材１ａ，２ａ、レーザー透過性樹脂層１ｂ、レーザー吸収性樹脂層２ｂ、及び金属製部材１ａ，２ａと樹脂層１ｂ，２ｂとを連結する連結部１ｃ，２ｃとからなり、樹脂層１ｂ，２ｂには、各種流体が流通する連通口１ｄ，２ｄがそれぞれ形成されている。また、ＭＥＡ３は、ＰＥＭ３ａと、ＰＥＭ３ａの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層３ｂと、ＰＥＭ３ａの他の側に位置し、大型拡散層３ｂよりも表面積が小さい小型拡散層３ｃとからなる。
【００２６】
これら２枚のセパレータ１，２を接合する場合には、図１（ｂ）に示すように、セパレータ１，２の間にＭＥＡ３を挟持して積層する。次いで、樹脂層１ｂ，２ｂの界面の所定箇所４〜７を目標に、レーザー透過性樹脂層１ｂ側から矢印８の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層２ｂに吸収されることによる発熱によって界面を溶融、接合して、単セルを形成する。なお、上記レーザー照射時には、溶融界面に隙間ができないように、レーザーを透過する加圧治具を用いて、２枚のセパレータ１，２に適度な面圧を加えることが好ましい。また、レーザーの焦点を界面に合わせ、照射溶融させながら、セパレータ１の面方向に照射位置を移動して任意のラインを描き、所望の接合ラインを形成して、優れた溶融接合性を実現することができる。なお、従来のシール手段をさらに採用する場合には、溶融接合性とシール性とを兼備する単セルを形成することができる。
【００２７】
次に、図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）に示す単セルを複数個、図１（ｃ）では２個の単セル９，１０を積層するとともに、最下部にさらにセパレータ１１を積層して、各界面の所定箇所１２，１３を目標に、同図の右側から矢印１４の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層２ｂに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を得る。
【００２８】
（実施形態１−２：請求項１〜４，１２，１３に対応）  
図２は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図２（ａ）は単セルを構成するセパレータ２１，２２、及びＭＥＡ２３をそれぞれ示し、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す各構成部材の接合により得られた単セルを示し、図２（ｃ）は図２（ｂ）に示す単セルの積層により得られた燃料電池を示す。これら図（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、図１（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態と基本的には同じであるが、図２（ａ）に示すように、セパレータ２１のレーザー透過性樹脂層２１ｂ、及びセパレータ２２のレーザー吸収性樹脂層２２ｂの形状が、図１（ａ）に示すセパレータ１のレーザー透過性樹脂層１ｂ、及びセパレータ２のレーザー吸収性樹脂層２ｂの形状と異なる。これらの差異により、図２に示す実施形態では、図２（ｃ）の単セルの積層、接合態様が図１（ｃ）の単セルの積層、接合態様と異なる。即ち、図１（ｃ）では、レーザー透過性樹脂層１ｂとレーザー吸収性樹脂層２ｂとにより形成された３つの界面を、同時に図１（ｃ）の右方向からレーザーを照射して、接合している。これに対し、図２（ｃ）では、レーザー透過性樹脂層２１ｂとレーザー吸収性樹脂層２２ｂとにより形成された２つの界面からなる所定箇所２４，２５を、同時にレーザー透過性樹脂層２１ｂ側から、矢印２６の方向に照射することで、接合を実現している。なお、図２（ｃ）に示す例では、同図の上方からレーザーを照射して、２つの界面を同時に接合するため、一の単セルに他の単セルを積層して、同図の上方からレーザーを照射し、次いで、他の単セルをさらに積層して、同図の上方からレーザーを照射し、このような操作を繰り返して燃料電池を形成することが好ましい。また、多数の単セルを予め積層しておいて、その後に、一度に同図の上方から、レーザーを照射することも可能であるが、この場合には、レーザーを最下方の照射位置まで到達させるため、レーザー吸収性樹脂層２２ｂの最外部の厚みを小さくすることが好ましい。
【００２９】
（実施形態１−３：請求項１〜４，１２〜１４に対応）
図３は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図３に示す実施形態１−３は、上記実施形態１−１，１−２に対して、ＭＥＡを予めセパレータに仮組みしたことを異にする例である。即ち、図３（ａ）に示すように、セパレータ３１は、金属製部材３１ａとレーザー透過性樹脂層３１ｂとを備え、ＭＥＡ３２は、ＰＥＭ３２ａと、ＰＥＭ３２ａの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層３２ｂと、ＰＥＭ３２ａの他の側に位置し、大型拡散層３２ｂよりも表面積が小さい小型拡散層３２ｃとからなる。セパレータ３１とＭＥＡ３２とを仮り組みする場合には、図３（ｂ）に示すように、ＭＥＡ３２の大型拡散層３２ｂをセパレータ３１のレーザー透過性樹脂層３１ｂに密着加圧させた状態で、それらの界面の所定箇所３３を目標に、レーザー透過性樹脂層３１ｂ側から矢印３４の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層３２ｂの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現し、セパレータ３１とＭＥＡ３２とを仮組みする。このように、仮組みを行った後に、上記実施形態１−１，１−２と同様の方法で、単セルを形成するとともに、単セル同士をさらに接合して燃料電池を形成することができる。
【００３０】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図４は、図１に示す燃料電池の各部を図３に示す仮組み工程を経て形成した、燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図４（ａ）は冷媒流路付近、図４（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図４（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図４（ａ）〜（ｃ）中、符号４１はＭＥＡ、４２は冷媒流路、４３は冷媒連通口、４４は酸化性ガス流路、４５は酸化性ガス連通口、４６は燃料ガス流路、４７は燃料ガス連通口である。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面の所定箇所４８〜７７に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００３１】
図５は、図４に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、図５（ａ）はＭＥＡカソード面、図５（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、図５（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、図５（ｄ）はカソードセパレータの発電面、図５（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、図５（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。ここで、カソード（アノード）セパレータとは、ＭＥＡのカソード（アノード）面と対向するセパレータをそれぞれいう。また、冷却面（発電面）とは、ＭＥＡと対向しない（対向する）面をそれぞれいう。図５（ａ）〜（ｆ）中、符号８１はＭＥＡ、８２は冷媒流路、８３は冷媒連通口、８４は酸化性ガス流路、８５は酸化性ガス連通口、８６は燃料ガス流路、８７は燃料ガス連通口である。図５（ａ），（ｃ）〜（ｆ）に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とＭＥＡとの界面等の所定箇所９０，９２に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００３２】
（実施形態１−４：請求項１〜３，５，１２，１３に対応）
図６は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態のうち、燃料電池の外周部を示す部分断面図である。図６に示す燃料電池は、５枚のセパレータ１０１〜１０５を図示しないＭＥＡを所定位置に挟持して積層したものであり、上記実施形態１−１（図１（ｃ）参照）に対して、セパレータ１０１，１０３，１０５の最外周部のレーザー透過性樹脂層１０１ａ，１０３ａ，１０５ａの形状を異にするものである。レーザー透過性樹脂層１０１ａ，１０３ａ，１０５ａがこのような形状であっても、レーザー透過性樹脂層１０１ａ，１０３ａ，１０５ａと、レーザー吸収性樹脂層１０２ａ，１０４ａとによって、所定箇所１０６，１０７に３つの界面が形成される。この場合においても、これらの所定箇所１０６，１０７を目標に、同図の右側から矢印１０８の方向にレーザーを照射し、レーザーがレーザー吸収性樹脂層１０２ａ，１０４ａに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を得ることができる。
【００３３】
（実施形態２−１：請求項１〜３，５，１２，１３に対応）
図７は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す断面図である。図７（ａ）は、燃料電池の構成部材である２枚のセパレータ１１１，１１２を示す。同図に示すように、２枚のセパレータ１１１，１１２は、それぞれ、金属製部材１１１ａ，１１２ａと、レーザー吸収性樹脂層１１１ｂ又はレーザー透過性樹脂層１１２ｂと、金属製部材１１１ａ，１１２ａ及び樹脂層１１１ｂ，１１２ｂを連結する連結部１１１ｃ，１１２ｃとからなり、樹脂層１１１ｂ，１１２ｂには、各種流体が流通する連通口１１１ｄ，１１２ｄがそれぞれ形成されている。
【００３４】
これらのセパレータ１１１，１１２を用いて、燃料電池を得るには、先ず、図７（ｂ）に示すように、２枚のセパレータ１１１，１１２同士を積層し、樹脂層１１１ｂ，１１２ｂの界面の所定箇所１１４〜１１６を目標に、レーザー透過性樹脂層１１２ｂ側から矢印１１７の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層１１１ｂに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。なお、上記レーザー照射時には、実施形態１−１の場合と同様に、２枚のセパレータ１１１，１１２に適度な面圧を加え、またレーザーの焦点を界面に合わせて照射溶融させながら、セパレータ１１１の面方向に照射位置を移動して任意のラインを描く。本例によっても、所望の接合ラインを形成することができ、優れた溶融接合性を備える単セルを形成することができる。
【００３５】
次に、図７（ｃ）に示すように、図７（ｂ）に示す単セルを複数個、図７（ｃ）では２個の単セル１１８，１１９を積層するとともに、最下部に、さらに所定箇所１２０〜１２２で接合されたセパレータ１２３，１２４を積層して、各界面の所定箇所１２５，１２６を目標に、同図の右側から矢印１２７の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層１１１ｂに吸収されることによる発熱によって、上記所定箇所１２５，１２６の３つの界面を同時に融解、接合して燃料電池を得る。
【００３６】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図８は、図７に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図８（ａ）は冷媒流路付近、図８（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図８（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図８（ａ）〜（ｃ）中、符号１３１はＭＥＡ、１３２は冷媒流路、１３３は冷媒連通口、１３４は酸化性ガス流路、１３５は酸化性ガス連通口、１３６は燃料ガス流路、１３７は燃料ガス連通口である。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面の所定箇所１３８〜１５２に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００３７】
図９は、図８に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、図９（ａ）はＭＥＡカソード面、図９（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、図９（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、図９（ｄ）はカソードセパレータの発電面、図９（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、図９（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図９（ａ）〜（ｆ）中、符号１６１はＭＥＡ、１６２は冷媒流路、１６３は冷媒連通口、１６４は酸化性ガス流路、１６５は酸化性ガス連通口、１６６は燃料ガス流路、１６７は燃料ガス連通口である。図９（ａ），（ｃ）〜（ｆ）に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とＭＥＡとの界面の所定箇所１６９〜１７１に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００３８】
（実施形態２−２：請求項１〜４，１２，１３に対応）
図１０は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図１０（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態２−２は、図７〜９に示す実施形態２−１と基本的には同じであるが、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、２枚のセパレータ１８１，１８２のレーザー吸収性樹脂層１８１ａ、及びレーザー透過性樹脂層１８２ａの形状が実施形態２−１の場合と異なる。このような構成の下、単セルを積層して燃料電池を得る場合には、図１０（ｃ）に示すように、樹脂層１８１ａ，１８２ａにより形成された２つの界面からなる所定箇所１８３，１８４を目標に、同図の矢印１８５の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層１８１ａの発熱による界面の溶融により、接合を実現する。この場合にも、図２に示した場合と同様に、単セルの積層とレーザーの照射とを交互に行なうことが好ましいが、多数の単セルを予め積層しておいて、その後に、一度に同図の上方から、レーザーを照射することも可能である。なお、レーザーの照射を一度に行なう場合には、レーザーを最下方の照射位置まで到達させるため、レーザー吸収性樹脂層１８１ａの最外部の厚みを小さくすることが好ましい。
【００３９】
（実施形態３−１：請求項１〜４，１２，１３に対応）
図１１は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図１１（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態３−１は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態１−２と基本的には同じであるが、図１１（ａ）に示すように、セパレータ１９１のレーザー透過性樹脂層１９１ａ、及びセパレータ１９２のレーザー吸収性樹脂層１９２ａの形状が、図２（ａ）に示すセパレータ２１のレーザー透過性樹脂層２１ｂ、及びセパレータ２２のレーザー吸収性樹脂層２２ｂの形状と異なる。このような差異により、図１１に示す実施形態では、図１１（ｃ）の単セル同士の接合態様が図２（ｃ）の単セルの積層、接合態様と異なる。即ち、図２（ｃ）では、レーザー透過性樹脂層２１ｂとレーザー吸収性樹脂層２２ｂとにより形成された２つの界面からなる所定箇所２４，２５が燃料電池の最外周部に設けられている。これに対し、図１１（ｃ）では、レーザー透過性樹脂層１９１ａとレーザー吸収性樹脂層１９２ａとにより形成された２つの界面からなる所定箇所１９３〜１９６が燃料電池の連通口１９７の周囲に設けられている。
【００４０】
（実施形態３−２：請求項１〜４，１１〜１５に対応）
図１２は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図１２（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態３−２は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態３−１と基本的には同じであるが、図１２（ａ）に示すように、セパレータ２０１，２０２によって挟持されるＭＥＡ２０３の構造が、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すＭＥＡ１９８の構造と異なる。即ち、図１１（ａ）に示すＭＥＡ１９８は、ＰＥＭ１９８ａと、ＰＥＭ１９８ａの一の側に位置し、表面積がＰＥＭと同じ大型拡散層１９８ｂと、ＰＥＭ１９８ａの他の側に位置し、大型拡散層１９８ｂよりも表面積が小さい小型拡散層１９８ｃとからなる。一方、図１２（ａ）に示すＭＥＡ２０３は、ＰＥＭ２０３ａと、ＰＥＭ２０３ａの一の側に位置し、表面積がＰＥＭよりも大きな大型拡散層２０３ｂと、ＰＥＭ２０３ａの他の側に位置し、大型拡散層２０３ｂよりも表面積が小さい小型拡散層２０３ｃとからなる。このような差異により、図１２に示す実施形態では、図１２（ｂ）の単セル形成態様が図１１（ｂ）の単セル形成態様と異なる。即ち、図１１（ｂ）では、レーザー透過性樹脂層１９１ａとレーザー吸収性樹脂層１９２ａとにより形成された界面からなる所定箇所１９９を目標に、同図の矢印２００の方向からレーザーを照射して単セルを形成している。これに対し、図１２（ｂ）では、レーザー透過性樹脂層２０１ａとレーザー吸収性樹脂層２０２ａとにより形成された界面からなる所定箇所２０４を目標に、同図の矢印２０５の方向からレーザーを照射するのみならず、これらの樹脂層２０１ａ，２０２ａ，及びＭＥＡ２０３の大型拡散層２０３ｂにより形成された２つの界面からなる所定箇所２０６をも目標に、同図の上方から矢印２０５の方向にレーザーを照射して単セルを形成している。このような単セル形成態様によれば、図１１に示す実施形態３−１に比して、より強固な単セル接合を実現することができる。なお、図１２（ｃ）は、図１２（ａ），（ｂ）に示すＭＥＡ２０３の各部の拡大図である。
【００４１】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図１３は、図１２に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図１３（ａ）は冷媒流路付近、図１３（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図１３（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図１３（ａ）〜（ｃ）中、符号２１１はＭＥＡ、２１２は冷媒流路、２１３は冷媒連通口、２１４は酸化性ガス流路、２１５は酸化性ガス連通口、２１６は燃料ガス流路、２１７は燃料ガス連通口である。図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とＭＥＡとの界面からなる所定箇所２１８〜２４７に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００４２】
図１４は、図１３に部分的に示した燃料電池の各構成部材の平面図であり、図１４（ａ）はＭＥＡカソード面、図１４（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、図１４（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、図１４（ｄ）はカソードセパレータの発電面、図１４（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、図１４（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図１４（ａ）〜（ｆ）中、符号２５１はＭＥＡ、２５２は冷媒流路、２５３は冷媒連通口、２５４は酸化性ガス流路、２５５は酸化性ガス連通口、２５６は燃料ガス流路、２５７は燃料ガス連通口である。図１４（ａ），（ｃ）〜（ｆ）に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とＭＥＡとの界面の所定箇所２５９〜２６２に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００４３】
（実施形態４−１：請求項１，２，４，８，１２，１３，１６，２１に対応）
図１５は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図１５（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態４−１は、図３（ａ），（ｂ）に示す実施形態１−３と基本的には同じであるが、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ２７１にＭＥＡ２７２を予め仮組みする態様が、図３（ａ），（ｂ）に示す仮り組み態様と異なる。即ち、図３（ａ），（ｂ）に示す仮組み態様は、図３（ｂ）に示すように、ＭＥＡ３２の大型拡散層３２ｂをセパレータ３１のレーザー透過性樹脂層３１ｂに密着加圧させた状態で、それらの界面の所定箇所３３を目標に、レーザー透過性樹脂層３１ｂ側から矢印３４の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層３２ｂの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現するものである。これに対し、図１５（ａ），（ｂ）に示す仮組み態様は、図１５（ｂ）に示すように、ＭＥＡ２７２をセパレータ２７１とフレーム２７３とにより挟持し、レーザー透過性樹脂層２７１ａ，２７３ａとレーザー吸収性樹脂層２７１ｂとにより形成された２つの界面からなる所定箇所２７４，２７５を目標に、例えば、同図の矢印２７６の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層２７１ｂの発熱による界面の溶融により、接合を実現するものである。このような仮組み態様においても、図１５（ｂ）に示すように、さらに、下方からセパレータ２７７を積層することにより、単セルを形成することができる。次いで、図１５（ｃ）に示すように、図１５（ｂ）に示す単セルを複数層、同図においては、３層の単セル２７８〜２８０を積層し、それらの界面からなる所定箇所２８１〜２８４を目標に、レーザーを矢印２８５の方向に照射して、本発明の燃料電池を形成することができる。なお、単セル同士の接合に際しては、単セルの積層とレーザー照射とを交互に行なう方法を採用することもできる。
【００４４】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図１６は、図１５に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図１６（ａ）は冷媒流路付近、図１６（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図１６（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図１６（ａ）〜（ｃ）中、符号２９１はＭＥＡ、２９２は冷媒流路、２９３は冷媒連通口、２９４は酸化性ガス流路、２９５は酸化性ガス連通口、２９６は燃料ガス流路、２９７は燃料ガス連通口である。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所２９８〜３２４に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００４５】
図１７は、図１５（ａ）に示すセパレータ２７１、ＭＥＡ２７２、及びフレーム２７３を仮組みした場合の、各構成部材の平面図であり、図１７（ａ）はセパレータのフレーム側面、図１７（ｂ）はセパレータのＭＥＡ側面、図１７（ｃ）はＭＥＡカソード面、図１７（ｄ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、図１７（ｅ）はフレームのＭＥＡ側面、図１７（ｆ）はフレームのセパレータ側面をそれぞれ示す。図１７（ａ）〜（ｆ）中、符号３３１はＭＥＡ、３３２は冷媒流路、３３３は冷媒連通口、３３４は酸化性ガス流路、３３５は酸化性ガス連通口、３３６は燃料ガス流路、３３７は燃料ガス連通口である。図１７（ａ），（ｂ），（ｅ）に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所３３９に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００４６】
図１８は、図１６に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、図１８（ａ）はカソードセパレータの冷却面、図１８（ｂ）はカソードセパレータの発電面、図１８（ｃ）はアノードセパレータの冷却面、図１８（ｄ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図１８（ａ）〜（ｄ）中、符号３４１は冷媒流路、３４２は冷媒連通口、３４３は酸化性ガス連通口、３４４は燃料ガス流路、３４５は燃料ガス連通口である。図１８（ａ）〜（ｄ）に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所３４８，３４９に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００４７】
（実施形態４−２：請求項１，２，４，８，１２，１３，１５，１７，１８，に対応）
図１９は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図１９（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態４−２は、図１５〜１８に示す実施形態３−１と基本的には同じであるが、図１９（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ３５１にＭＥＡ３５２を予め仮組みする態様が、図１５（ａ），（ｂ）に示す仮組み態様と異なる。即ち、図１５（ａ），（ｂ）に示す仮り組み態様は、図１５（ｂ）に示すように、ＭＥＡ２７２をセパレータ２７１とフレーム２７３とにより挟持し、レーザー透過性樹脂層２７１ａ，２７３ａとレーザー吸収性樹脂層２７１ｂとにより形成された２つの界面からなる所定箇所２７４，２７５を目標に、同図の矢印２７６の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層２７１ｂの発熱による界面の溶融により、接合を実現するものである。これに対し、図１９（ａ），（ｂ）に示す仮組み態様は、図１９（ｂ）に示すように、ＭＥＡ３５２の大型拡散層３５２ａをレーザー吸収性樹脂層とし、セパレータ３５１のレーザー透過性樹脂層３５１ａと、ＭＥＡ３５２の大型拡散層３５２ａと、フレーム３５３のレーザー透過性樹脂層３５３ａとにより形成される２つの界面からなる所定箇所３５４，３５５を目標に、レーザー透過性樹脂層３５１ａ側から矢印３５６の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層３５２ａの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現するものである。このような仮組み態様においても、図１９（ｂ）に示す単セルを複数層積層することにより、本発明の燃料電池が好適に得られる。なお、図１９（ｃ）は、図１９（ａ），（ｂ）に示すセパレータ３５１のＭＥＡ３５２側平面図であり、同図中、点線３５７で示すように、各所に接合部分が得られ、好適な接合態様を実現することができる。
【００４８】
（実施形態５−１：請求項１，２，６，７，１２，１３，１６に対応）
図２０は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図２０（ａ），（ｂ）に示す実施形態５−１では、先ず、単セルの形成の際に、２枚のセパレータ３６１，３６２を、ＭＥＡ３６３を挟持した状態で積層する。次いで、セパレータ３６１，３６２を構成するレーザー吸収性樹脂層３６１ａ，３６２ａ、及びレーザー透過性樹脂層３６１ｂ，３６２ｂにより単セルの最外周部に形成された４つの界面からなる所定箇所３６４を接合する。この場合には、図２０（ｂ）に示すように、積層されたセパレータ３６１，３６２のレーザー透過性樹脂層３６１ｂ，３６２ｂ側から矢印３６５の方向にレーザーを照射して、レーザーが樹脂層３６１ａ，３６２ａに吸収されることによる発熱によって、上記所定箇所３６４の４つの界面を同時に融解し、接合を実現して単セルを形成する。
【００４９】
さらに、図示していないが、このようにして得られた単セルを複数層積層して、単セル同士の接合面に上記と同様に生じた４つの界面からなる所定箇所を、レーザー照射により接合することで、本発明の燃料電池を形成することができる。
【００５０】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図２１は、図２０に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図２１（ａ）は冷媒流路付近、図２１（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図２１（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図２１（ａ）〜（ｃ）中、符号３７１はＭＥＡ、３７２は冷媒流路、３７３は冷媒連通口、３７４は酸化性ガス流路、３７５は酸化性ガス連通口、３７６は燃料ガス流路、３７７は燃料ガス連通口である。図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所３７８〜３８８に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００５１】
図２２は、図２１に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、図２２（ａ）はカソードセパレータの冷却面、図２２（ｂ）はカソードセパレータの発電面、図２２（ｃ）はアノードセパレータの冷却面、図２２（ｄ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図２２（ａ）〜（ｄ）中、符号３９１は冷媒流路、３９２は冷媒連通口、３９３は酸化性ガス流路、３９４は酸化性ガス連通口、３９５は燃料ガス流路、３９６は燃料ガス連通口である。図２２（ａ）〜（ｄ）に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所３９７〜４００に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００５２】
（実施形態６−１：請求項１，２，８，９，１２，１３，２１に対応）
図２３は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図２３（ａ）〜（ｄ）に示す実施形態６−１は、単セルを形成する２枚のセパレータの双方の外周部分に、レーザー透過性樹脂層とレーザー吸収性樹脂層とを配置するとともに、一枚のセパレータに予めフレームを取り付け、このセパレータとフレームとの間にアノードのトンネル通路を形成した実施形態である。
即ち、図２３（ａ）は、単セルを構成する各構成部材を示し、図中、符号４０１はフレーム、４０２はフレーム４０１に予め接合される一のセパレータ、４０３はセパレータ４０１と一対をなして単セルを構成する他のセパレータ、４０４はＭＥＡである。同図に示すように、フレーム４０１は、レーザー透過性樹脂層４０１ａからなり、この樹脂層４０１ａには各種流体が流通する連通口４０１ｂが形成されている。セパレータ４０２は、金属製部材４０２ａ、レーザー透過性樹脂層４０２ｂ、レーザー吸収性樹脂層４０２ｃ、及び金属製部材４０２ａと樹脂層４０２ｂとを連結する連結部４０２ｄとからなり、樹脂層４０２ｂ，４０２ｃには、各種流体が流通する連通口４０２ｅが形成されている。セパレータ４０３は、金属製部材４０３ａ、レーザー透過性樹脂層４０３ｂ、レーザー吸収性樹脂層４０３ｃ、及び金属製部材４０３ａと樹脂層４０３ｂとを連結する連結部４０３ｄとからなり、樹脂層４０３ｂには、各種流体が流通する連通口４０３ｅが形成されている。ＭＥＡ４０４は、ＰＥＭ４０４ａと、ＰＥＭ４０４ａの一の側に位置し、表面積がＰＥＭ４０４ａと同じ大型拡散層４０４ｂと、ＰＥＭ４０４ａの他の側に位置し、大型拡散層４０４ｂよりも表面積が小さい小型拡散層４０４ｃとからなる。
【００５３】
このような構成の下、単セルを形成する場合には、図２３（ｂ）に示すように、フレーム４０１とセパレータ４０２とを積層し、この状態で、樹脂層４０１ａ，４０２ｂ，４０２ｃにより形成された２つの界面からなる所定箇所４０５，４０６を目標に、レーザー透過性樹脂４０１ａ側から矢印４０７の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層４０２ｃに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、フレーム４０１とセパレータ４０２とを予め接合する。次に、図２３（ｃ）に示すように、予め接合されたフレーム４０１及びセパレータ４０２の上に、ＭＥＡ４０４及びセパレータ４０３を積層し、樹脂層４０１ａ，４０３ｂ，４０３ｃにより形成された２つの界面からなる所定箇所４０８，４０９を目標に、レーザー透過性樹脂４０３ｂ側から矢印４１０の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層４０３ｃに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。
【００５４】
最後に、図２３（ｄ）に示すように、図２３（ｃ）で形成した単セルを複数個、図２３（ｄ）では２個の単セル４１１，４１２を積層するとともに、最下部にさらにセパレータ４１３を積層して、各界面の所定箇所４１４〜４２３を目標に、樹脂層４０３ｂ側から矢印４２４の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層４０２ｃに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を形成する。
【００５５】
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図２４は、図２３に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図２４（ａ）は冷媒流路付近、図２４（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び図２４（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図２４（ａ）〜（ｃ）中、符号４３１はＭＥＡ、４３２は冷媒流路、４３３は冷媒連通口、４３４は酸化性ガス流路、４３５は酸化性ガス連通口、４３６は燃料ガス流路、４３７は燃料ガス連通口である。図２４（ａ）〜（ｃ）に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所４３８〜４７０に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００５６】
図２５（ａ）〜（ｅ）は、図２３（ｃ）に示す単セルのうち、ＭＥＡ４０４を除いた各構成部材の平面図である。即ち、図２５（ａ）は図２３（ａ）に示すセパレータ４０３の冷却面、図２５（ｂ）はセパレータ４０３の発電面、図２５（ｃ）はフレーム４０１の発電面、図２５（ｄ）はセパレータ４０２の冷却面、図２５（ｅ）はセパレータ４０２の発電面をそれぞれ示す。図２５（ａ）〜（ｅ）中、符号４７１は冷媒流路、４７２は冷媒連通口、４７３は酸化性ガス流路、４７４は酸化性ガス連通口、４７５は燃料ガス流路、４７６は燃料ガス連通口である。図２５（ａ）〜（ｅ）に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所４７８．４８０，４８１に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
【００５７】
（実施形態６−２：請求項１，２，８，９，１２，１３，１５，１８〜２１に対応）
図２６は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す断面図である。図２６（ａ），（ｂ）に示す実施形態６−２は、図２３〜２５に示す実施形態６−１と基本的には同じであるが、ＭＥＡと、ＭＥＡに予め接合されるセパレータの形状が異なる。即ち、図２６（ａ），（ｂ）に示すように、実施形態６−２のＭＥＡの形状は、実施形態４−２に示すＭＥＡの形状と類似したものである。
【００５８】
図２６（ａ）に示すように、セパレータ４９１の樹脂層４９１ａは、全てレーザー透過性樹脂により構成されている。一方、ＭＥＡ４９２の大型拡散層４９２ａは、セパレータ４９１の樹脂層４９１ａに接合する発熱部材を備えるものである。この樹脂層４９１ａは凹部を有し、大型拡散層４９２ａは凸部（リブ補強部）を有し、セパレータ４９１とＭＥＡ４９２とを積層した場合に、これら４９１ａ，４９２ａが嵌合するように設計されている。また、セパレータ４９１とＭＥＡ４９２とを積層し易くするように、樹脂層４９１ａ，４９２ａには、それぞれリブ補強ガイド穴４９１ｂ，４９２ｂがそれぞれ形成されている。
【００５９】
このような構成の下、図２６（ｂ）に示すように、予め接合されたフレーム４９３及びセパレータ４９４の上方に、ＭＥＡ４９２及びセパレータ４９１を積層し、リブ補強ガイド穴４９１ｂ，４９２ｂを合わせた後、上記樹脂層４９１ａ，４９２ａと、レーザー透過性の樹脂層４９３ａとにより形成された２つの界面からなる所定箇所４９５．４９６を目標に、レーザー透過性樹脂層４９１ａ側から矢印４９７の方向にレーザーを照射し、レーザーが発熱部材４９２ａに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。最後に、図示していないが、このような単セルを順次積層するとともに、上記と同様にレーザーを照射して、本発明の燃料電池を好適に形成することができる。
【００６０】
以上、本発明の種々の実施形態（１−１〜６−２）を示したが、これらのいずれの実施形態においても、レーザー透過性樹脂層として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はシリコーンゴム被覆がなされた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いることができ、レーザー吸収性樹脂層として、カーボン又は色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いことができる。
【００６１】
また、これらの実施形態のうち、実施形態１−３及び３−２においては、ＭＥＡのレーザー吸収性構成部材である大型拡散層として、気体透過性の金属材料（発泡金属若しくは細線金属フェルト）、又はカーボン材料を用いることができ、実施形態３−２，４−２及び６−２においては、熱吸収材として、熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）、又はカーボン若しくは色素を含浸させた熱可塑性樹脂層（ＰＰＳ，ＬＣＰ，ＰＥＥＫ，若しくはＰＣ）を用いることができる。
【００６２】
さらに、これらの実施形態のうち、実施形態４−１及び５においては、レーザー吸収性樹脂層を、レーザー透過性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー透過性樹脂層と一体化することが好ましく、実施形態４−２においては、レーザー透過性樹脂層を、レーザー吸収性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー吸収性樹脂層と一体化することが好ましい。
【００６３】
加えて、これらの実施形態のうち、実施形態４−２及び６−２においては、ＭＥＡのレーザー吸収性部材が、ＰＥＭと、ＰＥＭの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層と、ＰＥＭの他の側に位置し、大型拡散層よりも表面積が小さい小型拡散層とからなるとともに、大型拡散層が気体透過性の金属材料又はカーボン材料からなり、大型拡散層が、隣接するセパレータの樹脂層と一体成形されることが好ましく、実施形態６−２においては、上述したように、ＭＥＡのレーザー吸収性部材の外周部及び連通口内周部の少なくとも一方に、補強リブを設けることが好ましい。
【００６４】
最後に、これらの実施形態のうち、実施形態６−２においては、ＭＥＡのレーザー吸収性部材の外周部に、組み付け用ガイド孔を設けたことが好ましく、実施形態４−１，２及び６−１，２においては、ＭＥＡのＰＥＭの露出部界面に接着剤を塗布してシールを形成したことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上説明したように、本発明によれば、特に、燃料電池の小型化を図るとともに、ＰＥＭの優れた抵抗率を実現することができる。よって、本発明の燃料電池は、近年電池の益々の小型化等が要請されている、自動車産業をはじめとする、燃料電池を使用する種々の技術分野において、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の燃料電池の好適な一の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セル、及び（ｃ）は単セルを積層して得られた燃料電池を示す。
【図２】図１に示す実施形態の変形例を示す断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セル、及び（ｃ）は単セルを積層して得られた燃料電池を示す。
【図３】図１，２に示す実施形態の変形例を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材の一部、及び（ｂ）はセパレータとＭＥＡの仮組み態様を示す。
【図４】図１に示す燃料電池の各部を図３に示す仮組み工程を経て形成した、燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図５】図４に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、（ａ）はＭＥＡカソード面、（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、（ｄ）はカソードセパレータの発電面、（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、及び（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。
【図６】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態のうち、各構成部材の外周部を示す部分断面図である。
【図７】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの構成部材の一部、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）は単セルを積層して得られた燃料電池を示す。
【図８】図７に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図９】図８に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、（ａ）はＭＥＡカソード面、（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、（ｄ）はカソードセパレータの発電面、（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、及び（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。
【図１０】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの構成部材の一部、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）は単セルを積層した燃料電池をそれぞれ示す。
【図１１】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）は単セルを積層した燃料電池をそれぞれ示す。
【図１２】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）はＭＥＡをそれぞれ示す。
【図１３】図１２に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図１４】図１３に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、（ａ）はＭＥＡカソード面、（ｂ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、（ｃ）はカソードセパレータの冷却面、（ｄ）はカソードセパレータの発電面、（ｅ）はアノードセパレータの冷却面、及び（ｆ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。
【図１５】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）は単セルを積層した燃料電池をそれぞれ示す。
【図１６】図１５に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図１７】図１６（ａ）に示すセパレータ２７１、ＭＥＡ２７２、及びフレーム２７３を仮組みした場合の、各構成部材の平面図であり、（ａ）はセパレータのフレーム側面、（ｂ）はセパレータのＭＥＡ側面、（ｃ）はＭＥＡカソード面、（ｄ）はシール部枠を設けたＭＥＡアノード面、（ｅ）はフレームのＭＥＡ側面、及び（ｆ）はフレームのセパレータ側面をそれぞれ示す。
【図１８】図１６に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、（ａ）はカソードセパレータの冷却面、（ｂ）はカソードセパレータの発電面、（ｃ）はアノードセパレータの冷却面、及び（ｄ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。
【図１９】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）は単セルの接合態様、及び（ｃ）は（ａ），（ｂ）に示すセパレータ３５１の平面図である。
【図２０】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、及び（ｂ）は単セルの接合態様をそれぞれ示す。
【図２１】図２０に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図２２】図２１に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、（ａ）はカソードセパレータの冷却面、（ｂ）はカソードセパレータの発電面、（ｃ）はアノードセパレータの冷却面、及び（ｄ）はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。
【図２３】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの各構成部材、（ｂ）はフレームとセパレータとの接合態様、（ｃ）は単セルの接合態様、及び（ｄ）は単セルを積層した燃料電池をそれぞれ示す。
【図２４】図２３に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、（ａ）は冷媒流路付近、（ｂ）は酸化性ガス流路付近、及び（ｃ）は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。
【図２５】図２３（ｃ）に示す単セルのうち、ＭＥＡを除いた各構成部材の平面図であり、（ａ）は図２３（ａ）に示すセパレータ４０３の冷却面、（ｂ）はセパレータ４０３の発電面、（ｃ）はフレーム４０１の発電面、（ｄ）はセパレータ４０２の冷却面、（ｅ）はセパレータ４０２の発電面をそれぞれ示す。
【図２６】本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図であり、（ａ）は単セルの構成部材の一部、及び（ｂ）は単セルの接合態様をそれぞれ示す。
【符号の説明】
【００６７】
１，２，１１…セパレータ
１ａ，２ａ…金属製部材
１ｂ…レーザー透過性樹脂層
２ｂ…レーザー吸収性樹脂層
１ｃ，２ｃ…連結部
１ｄ，２ｄ…連通口
３…ＭＥＡ
３ａ…ＰＥＭ
３ｂ…大型拡散層
３ｃ…小型拡散層
４〜７，１２，１３…所定箇所
８，１４…矢印
９，１０…単セル
【図１】
2005268146.tif 000003
【図２】
2005268146.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005268146.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005268146.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005268146.tif 000016
【図１５】
2005268146.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2005268146.tif 000019
【図１８】
2005268146.tif 000020
【図１９】
2005268146.tif 000021
【図２０】
2005268146.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2005268146.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2005268146.tif 000026
【図２５】
2005268146.tif 000027
【図２６】
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