(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率の低下を抑制できる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、電解質層２１２と電極層２１４、２１５とを含む発電体２１０と、発電に用いられるガスを流通させるための流路を内部に有し発電体にガスを供給する拡散層２２０、２３０と、拡散層にガスを供給するセパレータ３００と、発電体の端面に沿って形成された第１のシール部５１０と、拡散層の端面に沿って形成された第２のシール部５２０と、を備える。燃料電池は、発電体と拡散層とセパレータとが、発電体の両面に拡散層が配置されると共に、拡散層の発電体に対向する側とは反対側の面にセパレータが配置されるように積層された構成を有する。第１のシール部は、セパレータとの間で、外部へのガスの漏洩を抑制するシールを構成する有効シール部を有する。第２のシール部は、積層前に、積層後に発電体の積層面とセパレータの積層面とに密着するように、拡散層と一体として形成される。【選択図】図５
2007329084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む発電体と、
前記発電体における発電に用いられるガスを流通させるための流路を内部に有し、前記発電体に前記ガスを供給する拡散層と、
前記拡散層に前記ガスを供給するセパレータと、
前記発電体の端面に沿って形成された第１のシール部と、
前記拡散層の端面に沿って形成された第２のシール部と、を備え、
前記燃料電池は、前記発電体と前記拡散層と前記セパレータとが、前記発電体の両面に前記拡散層が配置されると共に、前記拡散層の前記発電体に対向する側とは反対側の面に前記セパレータが配置されるように、積層された構成を有し、
前記第１のシール部は、前記セパレータとの間で、前記燃料電池の内部から外部への前記ガスの漏洩を抑制するシールを構成する有効シール部を有し、
前記第２のシール部は、前記積層前に、前記積層後に前記発電体の積層面と前記セパレータの積層面とに密着するように、前記拡散層と一体として形成される、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部の材料および前記積層前の形状は、前記第２のシール部が前記積層時に前記発電体と前記セパレータとに挟まれて変形するように、設定される、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部の前記積層前の形状は、前記燃料電池の積層方向に沿った厚さが前記拡散層の厚さよりも大きい形状である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部の前記積層前の形状は、前記積層方向に平行な断面形状が、前記拡散層の２つの積層面の内の一方を含む平面と交差しない形状である、燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部は、前記拡散層の端面全体における前記拡散層内部から前記拡散層外部への前記ガスの流出を抑制するように、構成されている、燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部は、前記積層後に前記第１のシール部の一部に密着するように形成される、燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記第１のシール部は、前記発電体の端部の積層面を覆うように形成された被覆部を有し、
前記第２のシール部は、前記積層後に、前記拡散層の端面より外側において前記被覆部に覆われていない前記発電体の積層面全域に密着するように形成される、燃料電池。
【請求項８】
請求項６または請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第２のシール部の材料は、前記第１のシール部の材料より低剛性である、燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記セパレータの前記拡散層に対向する面は平坦形状である、燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池の製造方法であって、
（ａ）電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む発電体と、前記発電体における発電に用いられるガスを流通させるための流路を内部に有し前記発電体に前記ガスを供給する拡散層と、前記拡散層に前記ガスを供給するセパレータと、を準備する工程と、
（ｂ）前記発電体の端面に沿って第１のシール部を形成する工程と、
（ｃ）前記拡散層の端面に沿って第２のシール部を形成する工程と、
（ｄ）前記発電体と前記拡散層と前記セパレータとを、前記発電体の両面に前記拡散層が配置されると共に、前記拡散層の前記発電体に対向する側とは反対側の面に前記セパレータが配置されるように、積層する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、第１のシール部が、前記工程（ｄ）の後に、前記セパレータとの間で、前記燃料電池の内部から外部への前記ガスの漏洩を抑制するシールを構成するように、前記第１のシール部を形成する工程であり、
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｄ）の前に、前記工程（ｄ）の後に前記発電体の積層面と前記セパレータの積層面とに密着するような前記第２のシール部を、前記拡散層と一体として形成する工程である、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、燃料電池に関し、特に発電性能の低下を抑制可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、例えば、膜・電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）と拡散層とセパレータとが、ＭＥＡの両面に拡散層が配置され、拡散層のＭＥＡに対向する側とは反対側の面にセパレータが配置されるように、積層された構成を有する。ＭＥＡは、例えば、電解質層の一方の表面にカソード電極層が配置され他方の表面にアノード電極層が配置された構成を有する。拡散層は、例えば、多孔質の材料によって形成される。
【０００３】
燃料電池の拡散層には、セパレータを介して、酸素を含む空気と水素を含む燃料ガスとが供給される。燃料電池に供給される空気および燃料ガスは、反応ガスとも呼ばれる。燃料電池の拡散層に供給された反応ガスは、拡散層内を流通しつつＭＥＡに供給され、ＭＥＡにおける発電に利用される。発電に利用されなかった反応ガスは、拡散層およびセパレータを介して燃料電池の外部へと排出される。
【０００４】
燃料電池の内部から外部への反応ガスの漏洩を防止するために、ＭＥＡおよび拡散層の周囲を取り囲むようにシール部材が設けられることがある（例えば特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３１２７４号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の燃料電池では、シール部材と拡散層とが積層方向に沿って干渉することによってシールが不完全となったり面圧のばらつきが発生したりすることを防止するために、シール部材と拡散層とは所定の間隔を設けて配置される。この結果、シール部材と拡散層との間に空間が形成される。そのため、燃料電池に供給された反応ガスの一部が、当該空間を通過して発電に利用されないまま外部へと排出される場合があった。反応ガスの一部が発電に利用されないまま排出されると、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。
【０００７】
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、燃料電池の発電効率の低下を抑制することを可能とする技術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】
【０００８】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む発電体と、
前記発電体における発電に用いられるガスを流通させるための流路を内部に有し、前記発電体に前記ガスを供給する拡散層と、
前記拡散層に前記ガスを供給するセパレータと、
前記発電体の端面に沿って形成された第１のシール部と、
前記拡散層の端面に沿って形成された第２のシール部と、を備え、
前記燃料電池は、前記発電体と前記拡散層と前記セパレータとが、前記発電体の両面に前記拡散層が配置されると共に、前記拡散層の前記発電体に対向する側とは反対側の面に前記セパレータが配置されるように、積層された構成を有し、
前記第１のシール部は、前記セパレータとの間で、前記燃料電池の内部から外部への前記ガスの漏洩を抑制するシールを構成する有効シール部を有し、
前記第２のシール部は、前記積層前に、前記積層後に前記発電体の積層面と前記セパレータの積層面とに密着するように、前記拡散層と一体として形成される。
【０００９】
この燃料電池では、発電体の端面に沿って形成された第１のシール部が、セパレータとの間で、燃料電池の内部から外部へのガスの漏洩を抑制するシールを構成する有効シール部を有している。また、拡散層の端面に沿って形成された第２のシール部が、燃料電池の積層後に発電体の積層面とセパレータの積層面とに密着するように形成される。そのため、この燃料電池では、拡散層と第１のシール部との間に形成される空間へのガスの漏洩を抑制することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記第２のシール部の材料および前記積層前の形状は、前記第２のシール部が前記積層時に前記発電体と前記セパレータとに挟まれて変形するように、設定されるとしてもよい。
【００１１】
この構成によれば、第２のシール部を、発電体の積層面とセパレータの積層面とに密着するように形成することができる。
【００１２】
また、上記燃料電池において、
前記第２のシール部の前記積層前の形状は、前記燃料電池の積層方向に沿った厚さが前記拡散層の厚さよりも大きい形状であるとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、第２のシール部を、積層時に発電体とセパレータとに挟まれて変形するように形成することができる。
【００１４】
また、上記燃料電池において、
前記第２のシール部の前記積層前の形状は、前記積層方向に平行な断面形状が、前記拡散層の２つの積層面の内の一方を含む平面と交差しない形状であるとしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第２のシール部が一体形成された拡散層の一方の積層面を他の部材の積層面と容易に接合することができ、燃料電池の製造の効率化を図ることができる。
【００１６】
また、上記燃料電池において、
前記第２のシール部は、前記拡散層の端面全体における前記拡散層内部から前記拡散層外部への前記ガスの流出を抑制するように、構成されているとしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、拡散層と第１のシール部との間に形成される空間へのガスの漏洩をより確実に抑制することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００１８】
また、上記燃料電池において、
前記第２のシール部は、前記積層後に前記第１のシール部の一部に密着するように形成されるとしてもよい。
【００１９】
この構成によれば、発電体の積層面を介した拡散層と第１のシール部との間に形成される空間へのガスの漏洩を抑制することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００２０】
また、上記燃料電池において、
前記第１のシール部は、前記発電体の端部の積層面を覆うように形成された被覆部を有し、
前記第２のシール部は、前記積層後に、前記拡散層の端面より外側において前記被覆部に覆われていない前記発電体の積層面全域に密着するように形成されるとしてもよい。
【００２１】
この構成によれば、発電体の積層面を介した拡散層と第１のシール部との間に形成される空間へのガスの漏洩をより確実に抑制することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００２２】
また、上記燃料電池において、
前記第２のシール部の材料は、前記第１のシール部の材料より低剛性であるとしてもよい。
【００２３】
この構成によれば、第１のシール部材と第２のシール部材とが、積層方向に沿って干渉した場合にも、第２のシール部材が変形することにより、シールが不完全となったり面圧のばらつきが発生して発電性能が低下したりすることを防止することができる。
【００２４】
また、上記燃料電池において、
前記セパレータの前記拡散層に対向する面は平坦形状であるとしてもよい。
【００２５】
この構成によれば、比較的ガス流の制御が困難な燃料電池においても、拡散層と第１のシール部との間に形成される空間への反応ガスの漏洩を抑制することができるため、発電効率の低下を抑制することができる。
【００２６】
また、上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池の製造方法は、
（ａ）電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む発電体と、前記発電体における発電に用いられるガスを流通させるための流路を内部に有し前記発電体に前記ガスを供給する拡散層と、前記拡散層に前記ガスを供給するセパレータと、を準備する工程と、
（ｂ）前記発電体の端面に沿って第１のシール部を形成する工程と、
（ｃ）前記拡散層の端面に沿って第２のシール部を形成する工程と、
（ｄ）前記発電体と前記拡散層と前記セパレータとを、前記発電体の両面に前記拡散層が配置されると共に、前記拡散層の前記発電体に対向する側とは反対側の面に前記セパレータが配置されるように、積層する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、第１のシール部が、前記工程（ｄ）の後に、前記セパレータとの間で、前記燃料電池の内部から外部への前記ガスの漏洩を抑制するシールを構成するように、前記第１のシール部を形成する工程であり、
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｄ）の前に、前記工程（ｄ）の後に前記発電体の積層面と前記セパレータの積層面とに密着するような前記第２のシール部を、前記拡散層と一体として形成する工程である。
【００２７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池用単セル、燃料電池を備えた移動体等の態様で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】
【００２８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００２９】
Ａ．第１実施例：
図１および図２は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。また、図３および図４は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。図１（ａ）は、図３および図４における１−１切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＸ１部を拡大して示している。図２（ａ）は、図３および図４における２−２切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸ２部を拡大して示している。図３は、図１および図２における上側から見たセパレータ３００の平面構成を示している。図３において、二点鎖線で囲んだ領域ＰＡは、単セル２００（より詳細には後述のカソード側第１拡散層２３０）と接する領域を表している。図４は、図１および図２における上側から見た単セル２００の平面構成を示している。
【００３０】
燃料電池１００は、例えば酸化ガスとしての空気と水素リッチな燃料ガスとを用いて発電を行う装置である。本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池１００は、図１および図２に示すように、単セル２００とセパレータ３００とが交互に積層された構成を有している。図１および図２では、燃料電池１００に含まれる単セル２００およびセパレータ３００の内の一部を抜き出して示しており、他の単セル２００およびセパレータ３００は図示を省略している。なお、本明細書では、燃料電池１００の各部材を積層する方向、すなわち、図１および図２における上下方向を、「燃料電池１００の積層方向」または単に「積層方向」と呼ぶ。
【００３１】
単セル２００は、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、発電体２１０と、発電体２１０を両側から挟むように配置されたアノード側の第１の拡散層２２０およびカソード側の第１の拡散層２３０と、を有している。以下の説明では、アノード側の第１の拡散層２２０を単に「アノード側第１拡散層２２０」と呼び、カソード側の第１の拡散層２３０を単に「カソード側第１拡散層２３０」と呼ぶものとする。また、アノード側第１拡散層２２０およびカソード側第１拡散層２３０を、まとめて「第１拡散層２２０および２３０」とも呼ぶものとする。第１拡散層２２０および２３０は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を用いて構成されており、発電体２１０における発電に用いられる反応ガス（空気および燃料ガス）を流通させる多孔体流路として機能する。
【００３２】
発電体２１０は、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、イオン交換膜によって形成された電解質層２１２と、電解質層２１２を両側から挟むように配置されたアノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５と、を有している。アノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５は、触媒担持カーボンを含んでいる。なお、電解質層２１２とアノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５との積層体は、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」または「膜・電極接合体」とも呼ばれる。
【００３３】
さらに、本実施例では、発電体２１０は、アノード側触媒電極層２１４の電解質層２１２と対向する面とは反対側の面に配置されたアノード側の第２の拡散層２１６と、カソード側触媒電極層２１５の電解質層２１２と対向する面とは反対側の面に配置されたカソード側の第２の拡散層２１７と、を有している。以下の説明では、アノード側の第２の拡散層２１６を単に「アノード側第２拡散層２１６」と呼び、カソード側の第２の拡散層２１７を単に「カソード側第２拡散層２１７」と呼ぶものとする。また、アノード側第２拡散層２１６およびカソード側第２拡散層２１７を、まとめて「第２拡散層２１６および２１７」とも呼ぶものとする。第２拡散層２１６および２１７は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を用いて構成されている。なお、本実施例のように構成された発電体２１０は、「ＭＥＧＡ」とも呼ばれる。
【００３４】
セパレータ３００は、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、カソード側第１拡散層２３０に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード側第１拡散層２２０に対向するアノード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３３０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、金属製の略四角形平面の薄板である。
【００３５】
燃料電池１００は、図１（ａ）に示すように、発電に用いられる空気を供給する空気供給路６４０と、利用されなかった空気を排出する空気排出路６５０と、を備えている。セパレータ３００には、図１および図３に示すように、空気供給路６４０から供給された空気を単セル２００に導くと共に、単セル２００から排出された空気を空気排出路６５０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、空気供給路６４０が貫通する貫通口３４２と、空気を空気供給路６４０から内部へと導くための空気流路３４４と、空気流路３４４とカソード側第１拡散層２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気供給口３４６と、を有している。また、セパレータ３００は、空気排出路６５０が貫通する貫通口３５２と、空気を空気排出路６５０へと導くための空気流路３５４と、空気流路３５４とカソード側第１拡散層２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気排出口３５６と、を有している。図１において矢印で示したように、空気供給路６４０に供給された空気は、貫通口３４２、空気流路３４４、空気供給口３４６を経てカソード側第１拡散層２３０内部に流入する。その後、空気は、カソード側第１拡散層２３０内部を通過しつつ発電体２１０における発電に利用され、利用されなかった空気は、空気排出口３５６、空気流路３５４、貫通口３５２を経て空気排出路６５０に排出される。
【００３６】
同様に、燃料電池１００は、図２（ａ）に示すように、発電に用いられる燃料ガスを供給する燃料供給路６６０と、利用されなかった燃料ガスを排出する燃料排出路６７０と、を備えている。セパレータ３００には、図２および図３に示すように、燃料供給路６６０から供給された燃料ガスを単セル２００に導くと共に、単セル２００から排出された燃料ガスを燃料排出路６７０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、燃料供給路６６０が貫通する貫通口３６２と、燃料ガスを燃料供給路６６０から内部へと導くための燃料流路３６４と、燃料流路３６４とアノード側第１拡散層２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料供給口３６６と、を有している。また、セパレータ３００は、燃料排出路６７０が貫通する貫通口３７２と、燃料ガスを燃料排出路６７０へと導くための燃料流路３７４と、燃料流路３７４とアノード側第１拡散層２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料排出口３７６と、を有している。図２において矢印で示したように、燃料供給路６６０に供給された燃料ガスは、貫通口３６２、燃料流路３６４、燃料供給口３６６を経てアノード側第１拡散層２２０内部に流入する。その後、燃料ガスは、アノード側第１拡散層２２０内部を通過しつつ発電体２１０における発電に利用され、利用されなかった燃料ガスは、燃料排出口３７６、燃料流路３７４、貫通口３７２を経て燃料排出路６７０に排出される。
【００３７】
さらに、セパレータ３００には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給路が貫通する貫通口３８２（図３）と、冷却媒体を排出する図示しない冷却媒体排出路が貫通する貫通口３９２（図３）と、２つの貫通口３８２および３９２を連通する冷却媒体流路３８４（図３および図１（ａ））と、を有している。冷却媒体供給路に供給された冷却媒体は、貫通口３８２、冷却媒体流路３８４、貫通口３９２を経て、冷却媒体排出路に排出される。
【００３８】
このように、セパレータ３００は、単セル２００に対向する表面が平坦形状に形成されており、表面に反応ガスの流路としての溝を有していない。セパレータ３００における上述した空気、燃料ガス、冷却媒体が流通する流路の形成は、セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）に、所定の打ち抜き加工を施すことによって行われる。そのため、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００の製造の容易化・低コスト化を図ることができる。
【００３９】
発電体２１０の周囲には、図１および図２に示すように、発電体２１０の端面に沿って配置された第１シール部５１０が設けられている。第１シール部５１０は、単セル２００に供給された反応ガス（燃料ガスおよび空気）の外部への漏洩を抑制するとともに、発電体２１０の端面を介したアノード側とカソード側との間における反応ガスの流通（いわゆるクロスリーク）を抑制するガスケットとして機能する。なお、本明細書では、面状部材の厚さ方向に平行な表面を「端面」と呼び、面状部材の厚さ方向に直交する表面を「積層面」と呼ぶものとする。
【００４０】
第１シール部５１０は、例えばゴム系のシール材料を用いた射出成形により形成される。第１シール部５１０の形成の際には、第１シール部５１０を形成するシール材料を発電体２１０の内部に含浸させ、いわゆるアンカー効果により第１シール部５１０と発電体２１０とを結合する。図１（ｂ）および図２（ｂ）では、発電体２１０の内部に含浸したシール材料を、第１シール部５１０を示すハッチングと同じハッチングを付して示している。
【００４１】
第１シール部５１０は、発電体２１０を構成する各層の端面全体を覆うように形成されている。また、第１シール部５１０は、凸型形状のリップ部５１２をアノード側とカソード側との両側に有している。リップ部５１２は、本発明における有効シール部に相当する。リップ部５１２は、セパレータ３００の表面（積層面）に密着している。また、本実施例では、シール材料を発電体２１０の内部に良好に含浸させるために、発電体２１０の端面に向けてのみならず、発電体２１０の端部の積層面に向けても射出を行っており、そのため第１シール部５１０は発電体２１０の端部の積層面を覆う被覆部５１４を有する形状となっている。
【００４２】
第１シール部５１０は、図４に示すように、発電体２１０の周囲を取り囲むように配置されている。図４には、第１シール部５１０として、第１シール部５１０のリップ部５１２とセパレータ３００との当接部（シールラインＳＬ）を示している。図４にはアノード側の第１シール部５１０のみが示されているが、カソード側も同様に、第１シール部５１０が発電体２１０の周囲を取り囲むように配置されている。
【００４３】
このように、第１シール部５１０が発電体２１０の周囲を取り囲むように配置され、第１シール部５１０のリップ部５１２がセパレータ３００の表面に密着しているため、燃料電池１００内部から外部への反応ガスの漏洩が抑制される。また、第１シール部５１０が発電体２１０の端面全体を覆っている上に、発電体２１０の端部の内部にシール材料が含浸しているため、クロスリークが抑制される。
【００４４】
図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、第１シール部５１０の被覆部５１４と第１拡散層２２０および２３０とは、互いに干渉することなく、所定の間隔を設けて配置される。これは、寸法誤差等によって被覆部５１４と第１拡散層２２０および２３０とが積層方向に沿って干渉することにより、シールが不完全となったり面圧のばらつきが発生して発電性能が低下したりすることを防止するためである。
【００４５】
第１拡散層２２０および２３０の周囲には、図１および図２に示すように、第１拡散層２２０および２３０の端面に沿って配置された第２シール部５２０が設けられている。第２シール部５２０は、第１シール部５１０と同様に、射出成形により形成される。ここで、第２シール部５２０の形成には、第１シール部５１０より剛性の低い材料が用いられる。例えば、第２シール部５２０の形成には、エラストマー系樹脂やゴム系のシール材が用いられる。
【００４６】
第２シール部５２０の形成の際には、第２シール部５２０を形成するシール材料を第１拡散層２２０および２３０の内部に含浸させ、いわゆるアンカー効果により結合する。図１（ｂ）および図２（ｂ）では、第１拡散層２２０および２３０の内部に含浸したシール材料を、第２シール部５２０を示すハッチングと同じハッチングを付して示している。
【００４７】
第２シール部５２０は、第１拡散層２２０および２３０の端面全体を覆うように形成されている。また、第２シール部５２０は、第１拡散層２２０および２３０の端面より外側の部分において、セパレータ３００の積層面に密着していると共に、第１シール部５１０の被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面全域を覆うように発電体２１０に密着している。なお、第２シール部５２０は、積層方向に沿って被覆部５１４と干渉（重複）している。
【００４８】
第２シール部５２０は、図４に示すように、アノード側第１拡散層２２０の周囲を取り囲むように配置されている。図４にはアノード側の第２シール部５２０のみが示されているが、カソード側も同様に、第２シール部５２０がカソード側第１拡散層２３０の周囲を取り囲むように配置されている。
【００４９】
図５は、第１実施例における燃料電池１００の製造方法を概念的に示す説明図である。図５（ａ）には、発電体２１０と第１の拡散層２２０および２３０とセパレータ３００との積層が行われる前の各部材の状態を示している。図５（ａ）に示すように、積層前に、発電体２１０に第１シール部５１０が一体として形成される。このときの第１シール部５１０のリップ部５１２の位置における積層方向に沿った厚さは、発電体２１０と第１拡散層２２０および２３０との厚さの合計よりも大きい厚さに設定されている。
【００５０】
積層前には、また、第１拡散層２２０および２３０に第２シール部５２０が一体として形成される。このときの第２シール部５２０の積層方向に沿った最大厚さｔｓは、第１拡散層２２０および２３０の厚さｔｐよりも大きい厚さに設定されている。
【００５１】
その後、図５（ａ）に示した各部材は積層されて締結される。各部材が積層された状態を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）は、図１（ａ）と同様の状態を表した図である。燃料電池１００を構成する各部材が積層されると、第１シール部５１０のリップ部５１２は、セパレータ３００により圧縮されてセパレータ３００の積層面に密着する。一方、第２シール部５２０は、発電体２１０とセパレータ３００とに挟まれて変形し、発電体２１０の積層面（より詳細には被覆部５１４に覆われていない積層面全域）とセパレータ３００の積層面とに密着する。なお、本実施例では、第２シール部５２０は、積層方向に沿って第１シール部５１０の被覆部５１４と干渉しているが、第２シール部５２０は第１シール部５１０より低剛性材料を用いて形成されているため、積層時には第２シール部５２０が変形する。そのため、シールが不完全となったり面圧のばらつきが発生したりすることがない。
【００５２】
燃料電池１００をこのように製造することにより、上述したように、第２シール部５２０を、第１拡散層２２０および２３０の端面より外側の部分において、セパレータ３００の積層面に密着させると共に、被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面全域に密着させることができる。そのため、この燃料電池１００では、第１拡散層２２０および２３０と第１シール部５１０との間に形成される空間（以下「拡散層周囲空間ＳＳ」と呼ぶ）への反応ガスの漏洩を抑制することができる。具体的には、まず、カソード側第１拡散層２３０の端面を介して、カソード側第１拡散層２３０の内部から拡散層周囲空間ＳＳへ空気が漏洩すること（図５（ｂ）に破線の矢印Ｆ１で示す）が抑制される。さらに、第１シール部５１０の被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面を介して、一旦カソード側第２拡散層２１７内部に流入した空気が拡散層周囲空間ＳＳへ漏洩すること（図５（ｂ）に破線の矢印Ｆ２で示す）も抑制される。アノード側についても同様に、拡散層周囲空間ＳＳへの燃料ガスの漏洩が抑制される。
【００５３】
反応ガスが拡散層周囲空間ＳＳに漏洩し、拡散層周囲空間ＳＳを通過してそのまま燃料電池１００の外部へ排出されると、この分の反応ガスは発電に利用されない。その結果、燃料電池１００の発電効率は低下してしまう。本実施例の燃料電池１００では、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩を抑制することができるため、発電効率の低下を抑制することができる。
【００５４】
なお、例えば液状ガスケット等の充填シールを用いて積層後にシールを行う従来のシール方法では、拡散層周囲空間ＳＳのような小さな隙間にシール材を配置することは困難である。本実施例の燃料電池１００では、各部材の積層前に、第２シール部５２０が第１の拡散層２２０および２３０に一体として形成されるため、拡散層周囲空間ＳＳのような小さな隙間にシール材を確実に配置することができると共に、部品点数の削減や組み付け作業の作業性向上を図ることができる。
【００５５】
また、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００の単セル２００に対向する表面が平坦形状に形成されており、セパレータ３００は反応ガスの流路としての溝を有していない。そのため、反応ガスは、溝流路の代わりに第１の拡散層２２０および２３０の内部を流通することとなる。第１の拡散層２２０および２３０の内部を反応ガスの流路として利用する場合には、溝流路を利用する場合と比較して、ガス流の制御が困難である。そのため、第１の拡散層２２０および２３０の内部を反応ガスの流路として利用する場合には、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩がより大きな問題となる。本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００の単セル２００に対向する表面が平坦形状に形成されている場合でも、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩を抑制することができるため、発電効率の低下を抑制することができる。
【００５６】
図６は、燃料電池１００の積層前における第２シール部５２０の積層方向に沿った厚さｔｓ（図５（ａ））の設定方法を示す説明図である。図６には、横軸に第２シール部５２０の積層方向に沿った厚さｔｓと第１の拡散層２２０および２３０の厚さｔｐとの差（「厚さ差ＤＴ」と呼ぶ）をとり、縦軸に第２シール部５２０のシール圧をとったグラフを示している。厚さ差ＤＴとシール圧とは、略比例する。第２シール部５２０に要求されるシール圧（要求シール圧）は、反応ガスの供給圧力と排出圧力との差に等しい。要求シール圧が設定され、さらに製品ばらつきが設定されると、必要な厚さ差ＤＴｒが定まる。必要な厚さ差ＤＴｒと第１の拡散層２２０および２３０の厚さｔｐとが設定されると、これらの値に基づき第２シール部５２０の積層方向に沿った厚さｔｓが設定される。
【００５７】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における燃料電池１００の製造方法を概念的に示す説明図である。第２実施例では、燃料電池１００の積層前に第１拡散層２２０および２３０の端面に沿って形成される第２シール部５２０ａの形状が、図５に示した第１実施例とは異なっている。燃料電池１００のその他の構成は、第１実施例と同様である。
【００５８】
第２実施例では、図７に示すように、第２シール部５２０ａの積層方向に平行な断面形状が、第１拡散層２２０および２３０のセパレータ３００に対向する積層面を含む平面と交差しない形状となっている。具体的には、第２シール部５２０ａのセパレータ３００に対向する面が、第１拡散層２２０および２３０のセパレータ３００に対向する積層面と略同一平面上に含まれるように、第２シール部５２０ａの形状が設定されている。
【００５９】
一方、第２実施例においても、第２シール部５２０ａの積層方向に沿った最大厚さｔｓは、第１拡散層２２０および２３０の厚さｔｐよりも大きい。そのため、第２シール部５２０ａの積層方向に平行な断面形状は、第１拡散層２２０および２３０の他方の積層面（発電体２１０に対向する面）を含む平面とは交差する形状となっている。なお、第２シール部５２０ａの断面形状がある平面と交差するとは、第２シール部５２０ａの断面が当該平面と単に接している状態は含まず、第２シール部５２０ａの断面が当該平面により２分される空間の両方にわたって存在する状態を意味している。
【００６０】
第２実施例においても、図７に示す各部材が積層されて締結される。このとき、まず、第１の拡散層２２０および２３０が、セパレータ３００に接合される。その後、アノード側第１拡散層２２０とセパレータ３００とが接合された積層体と、カソード側第１拡散層２３０とセパレータ３００とが接合された積層体と、が発電体２１０に接合される。このようにして、第１実施例と同様に、図５（ｂ）に示す状態の燃料電池１００が製造される。
【００６１】
第２実施例においても、第１実施例と同様に、第２シール部５２０ａを、第１拡散層２２０および２３０の端面より外側の部分において、セパレータ３００の積層面に密着させると共に、被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面全域を覆うように発電体２１０に密着させることができる。そのため、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００６２】
また、第２実施例では、燃料電池１００を構成する各部材の積層の際には、まず、第１拡散層２２０および２３０がセパレータ３００と接合される。このとき、第２シール部５２０ａの積層方向に平行な断面形状は、第１拡散層２２０および２３０のセパレータ３００に対向する積層面を含む平面と交差しない形状に形成されている。そのため、第１拡散層２２０および２３０とセパレータ３００との接合を容易に行うことができる。従って、第２実施例の燃料電池１００では、燃料電池１００の製造の容易化を図ることができる。
【００６３】
Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例としての燃料電池１００ｂの断面構成を概略的に示す説明図である。図８に示す燃料電池１００ｂの断面構成は、第１実施例において図１に示した断面の位置に相当する位置の断面構成である。すなわち、図３における１−１切断面に沿った燃料電池１００ｂの断面構成である。第３実施例の燃料電池１００ｂは、単セル２００ｂの構成が、第１実施例の燃料電池１００における単セル２００の構成とは異なっている。燃料電池１００ｂのその他の構成は、第１実施例の燃料電池１００と同様である。
【００６４】
第３実施例の燃料電池１００ｂの単セル２００ｂは、図８（ａ）に示すように、発電体２１０ｂと、発電体２１０ｂを両側から挟むように配置されたアノード側第２拡散層２１６ｂおよびカソード側第２拡散層２１７ｂとにより構成されている。また、発電体２１０ｂは、図８（ｂ）に示すように、電解質層２１２と、電解質層２１２を両側から挟むように配置されたアノード側触媒電極層２１４ｂおよびカソード側触媒電極層２１５ｂとにより構成されている。第３実施例の燃料電池１００ｂは、図１および図２に示す第１実施例の燃料電池１００が備えるアノード側第１拡散層２２０およびカソード側第１拡散層２３０を備えていない。
【００６５】
第３実施例の燃料電池１００ｂにおいても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、発電体２１０ｂの周囲に、第１シール部５１０が設けられている。また、アノード側第２拡散層２１６ｂおよびカソード側第２拡散層２１７ｂの周囲には、第２シール部５２０が設けられている。第３実施例の燃料電池１００ｂの製造方法は、発電体２１０ｂの構成と第２シール部５２０が第１の拡散層ではなく第２の拡散層に形成される点とを除き、図５に示した第１実施例における燃料電池の製造方法と同様である。
【００６６】
第３実施例では、第２シール部５２０を、アノード側第２拡散層２１６ｂおよびカソード側第２拡散層２１７ｂの端面より外側の部分において、セパレータ３００の積層面に密着させると共に、第１シール部５１０の被覆部５１４に覆われていない発電体２１０ｂの積層面全域を覆うように発電体２１０ｂに密着させることができる。そのため、第３実施例の燃料電池１００ｂでは、第１実施例と同様に、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００６７】
Ｄ．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。
【００６８】
Ｄ−１．変形例１：
上記各実施例における第２シール部５２０の構成は、あくまで一例であり、第２シール部５２０の構成を他の構成とすることも可能である。図９は、変形例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。図９に示すように、変形例としての燃料電池１００における第２シール部５２０ｃは、上記各実施例と同様に、セパレータ３００の積層面と発電体２１０の積層面とに密着しており、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩を抑制することができる。ただし、変形例としての燃料電池１００における第２シール部５２０ｃは、被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面全域に密着するような構成を有していない。上記各実施例のように、第２シール部５２０が被覆部５１４に覆われていない発電体２１０の積層面全域に密着するような構成を採用すれば、発電体２１０積層面を介した拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩をより確実に防止することができるため、より好ましい。
【００６９】
また、変形例としての燃料電池１００における第２シール部５２０ｃは、第２シール部５２０が第１の拡散層２２０および２３０の端面全域を覆うような構成を有していない。上記各実施例のように、第２シール部５２０が第１の拡散層２２０および２３０の端面全域を覆うような構成を採用すれば、拡散層周囲空間ＳＳへの反応ガスの漏洩をより確実に防止することができるため、より好ましい。
【００７０】
Ｄ−２．変形例２：
上記各実施例における積層前の第２シール部５２０の断面形状は、あくまで一例であり、第２シール部５２０の断面形状として他の形状を採用することも可能である。例えば、積層前の第２シール部５２０の積層方向に沿った最大厚さｔｓは、必ずしも第１の拡散層２２０および２３０（または第２の拡散層２１６ｂおよび２１７ｂ）の厚さｔｐより大きい必要は無い。例えば、セパレータ３００の形状によっては、厚さｔｓが厚さｔｐ以下であっても、第２シール部５２０をセパレータ３００と発電体２１０とに密着させることは可能である。
【００７１】
また、第２シール部５２０の積層方向に沿った最大厚さｔｓは、アノード側とカソード側とで独立して設定すればよい。例えば、第１の拡散層２２０および２３０のそれぞれの厚さが異なる場合に、第２シール部５２０の最大厚さｔｓがアノード側とカソード側とで異なる値に設定される場合もある。
【００７２】
Ｄ−３．変形例３：
上記各実施例では、セパレータ３００は３層の金属板を積層した構成であり、その形状は表面が平坦な形状であるとしているが、セパレータ３００の構成は他の任意の構成とすることが可能であり、またセパレータ３００の形状は他の任意の形状とすることが可能である。また、上記各実施例では、セパレータ３００を金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。
【００７３】
Ｄ−４．変形例４：
上記各実施例では、燃料電池１００は、単セル２００とセパレータ３００とが交互に積層された構成を有しているとしているが、燃料電池１００を単セル２００とその両側に配置したセパレータ３００とによって構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。
【図４】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。
【図５】第１実施例における燃料電池１００の製造方法を概念的に示す説明図である。
【図６】燃料電池１００の積層前における第２シール部５２０の積層方向に沿った厚さｔｓの設定方法を示す説明図である。
【図７】第２実施例における燃料電池１００の製造方法を概念的に示す説明図である。
【図８】第３実施例としての燃料電池１００ｂの断面構成を概略的に示す説明図である。
【図９】変形例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００...燃料電池
２００...単セル
２１０...発電体
２１２...電解質層
２１４...アノード側触媒電極層
２１５...カソード側触媒電極層
２１６...アノード側第２拡散層
２１７...カソード側第２拡散層
２２０...アノード側第１拡散層
２３０...カソード側第１拡散層
３００...セパレータ
３１０...カソード対向プレート
３２０...中間プレート
３３０...アノード対向プレート
３４２...貫通口
３４４...空気流路
３４６...空気供給口
３５２...貫通口
３５４...空気流路
３５６...空気排出口
３６２...貫通口
３６４...燃料流路
３６６...燃料供給口
３７２...貫通口
３７４...燃料流路
３７６...燃料排出口
３８２...貫通口
３８４...冷却媒体流路
３９２...貫通口
５１０...第１シール部
５１２...リップ部
５１４...被覆部
５２０...第２シール部
６４０...空気供給路
６５０...空気排出路
６６０...燃料供給路
６７０...燃料排出路
【図１】
2007329084.tif 000003
【図２】
2007329084.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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【図９】
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