(57)【要約】【課題】燃料電池の構成の簡略化と薄肉化との両立を図る。【解決手段】燃料電池２００は、ガス流路形成部材２３０と発電体層２１０を枠状フレーム２４０の窓部２４２に組み込み、枠部２４４で発電体層２１０の膜露出周縁部２１９を被覆してアノード・カソードの両電極間の通気を遮断する。また、枠部２４４をセパレーター２２０のプレート周縁部２２３まで延ばして両周縁部で挟持することで、この枠部２４４にて、セパレーター２２０の間を気密に区画する。その上で、枠部２４４の表層の第１流路溝２４６からガス流路形成部材２３０、カソード電極２１５に空気を分離供給し、枠部２４４の他方の表層の第２流路溝２４８からアノード電極２１４に水素を分離供給する。【選択図】図７
2012203999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜を挟んで各膜面に第１と第２の電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
該発電体層を挟持するよう配置され、前記発電体層の発電反応に供される第１と第２の反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
前記第１と第２の電極の間の通気を遮断した状態に前記発電体層が組み込まれる窓部とこれを取り囲む枠部とを有し、該枠部が前記一対のセパレーターの周縁部に重なるようにして該周縁部で挟持され、前記一対のセパレーターの間を前記枠部にて気密に区画する枠状フレームと、
該枠状フレームの前記枠部と前記一対のセパレーターの前記周縁部とに形成され、前記発電体層における前記第１の電極への給排の対象となる前記第１の反応ガスが通過する第１通過孔と、前記第２の電極への給排の対象となる前記第２の反応ガスが通過する第２通過孔とを備え、
前記枠状フレームは、
前記一対のセパレーターの内で前記第１の電極の側に位置する一方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第１通過孔を通過する前記第１の反応ガスを前記第１の電極に導く第１流路溝を備え、前記一対のセパレーターの内の他方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第２通過孔を通過する前記第２の反応ガスを前記第２の電極に導く第２流路溝を備える
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記発電体層は、前記第１の電極を、その電極周縁が前記電解質膜の周縁より電極面中央寄りとなるようにして備え、
前記枠状フレームは、前記窓部を前記発電体層の外郭形状より小さい形状で備えた上で、前記窓部の側の前記枠部の周縁にて、前記第１の電極の前記電極周縁から前記電解質膜の周縁に亘るまでの前記電解質膜の膜面を気密に被覆する
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記第１の電極と前記一方のセパレーターとの間に配置され、前記第１の電極の電極面において該電極面に沿った前記第１の反応ガスの流路を形成する流路形成部材を備え、該流路形成部材は前記枠状フレームの前記窓部にて位置決めされている
燃料電池。
【請求項４】
前記一方のセパレーターは、少なくとも前記枠状フレームと接触する範囲を平面としている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の電極は、カソード電極である請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜を挟んで各膜面に第１と第２の電極を接合した膜電極接合体を含み前記第１の電極をその電極周縁が前記第２の電極の周縁より電極面中央寄りとなるようにした発電体層と、該発電体層の発電反応に供される第１と第２の反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、前記発電体層の外郭形状より小さい形状で開けられた窓部を取り囲む枠部を前記一対のセパレーターの周縁部にまで延在させて有する枠状フレームとを準備する準備工程と、
前記一対のセパレーターの内の一方のセパレーターに、該セパレーターの周縁部と前記枠状フレームの前記枠部とが重なるよう、前記枠状フレームを積層する第１の積層工程と、
前記枠状フレームの前記窓部の側の前記枠部の周縁にて、前記第１の電極の前記電極周縁から前記電解質膜の周縁に亘るまでの前記電解質膜の膜面が気密に覆われるよう、前記枠状フレームに前記発電体層を積層する第２の積層工程と、
前記一対のセパレーターの内の他方のセパレーターを、その周縁部が前記枠状フレームの前記枠部に重なるよう、前記枠状フレームに積層する第３の積層工程とを備え、
前記準備工程にて準備された前記一対のセパレーターは、前記周縁部に、前記発電体層における前記第１の電極への給排の対象となる前記第１の反応ガスが通過する第１通過孔と、前記第２の電極への給排の対象となる前記第２の反応ガスが通過する第２通過孔とを備え、
前記準備工程にて準備された前記枠状フレームは、前記枠部に前記第１通過孔と前記第２通過孔とを備えると共に、前記一方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第１通過孔を通過する前記第１の反応ガスを前記第１の電極に導く第１流路溝を備え、前記他方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第２通過孔を通過する前記第２の反応ガスを前記第２の電極に導く第２流路溝を備え、
前記第１と第３の積層工程では、前記セパレーターの前記第１通過孔と前記第２通過孔とが前記枠状フレームの前記第１通過孔と前記第２通過孔とが重なるようにされる
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、膜電極接合体を含む発電体層を反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターで挟持した燃料電池と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、これを積層したスタック構造とされ、車両等への搭載も図られている。例えば、車両への搭載に当たっては、軽量化や小型化のみならず、薄肉化も要請されている。薄肉化は、強度不足を来しやすいので、強度確保の上で、セパレーターとは別にフレームを用いる技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５９５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許公報では、膜電極接合体を含む発電体層を一対のセパレーターで挟持するに当たり、発電体層の電極であるアノードとカソードの側でそれぞれフレームを介在させている。このため、個々のフレームの薄肉化は可能であるとしても、電池構成部材が増える分、一つの燃料電池構造からすれば、薄肉化の余地が残されていた。
【０００５】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の構成の簡略化と薄肉化との両立を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００７】
[適用１：燃料電池]
燃料電池であって、
電解質膜を挟んで各膜面に第１と第２の電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
該発電体層を挟持するよう配置され、前記発電体層の発電反応に供される第１と第２の反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
前記第１と第２の電極の間の通気を遮断した状態に前記発電体層が組み込まれる窓部とこれを取り囲む枠部とを有し、該枠部が前記一対のセパレーターの周縁部に重なるようにして該周縁部で挟持され、前記一対のセパレーターの間を前記枠部にて気密に区画する枠状フレームと、
該枠状フレームの前記枠部と前記一対のセパレーターの前記周縁部とに形成され、前記発電体層における前記第１の電極への給排の対象となる前記第１の反応ガスが通過する第１通過孔と、前記第２の電極への給排の対象となる前記第２の反応ガスが通過する第２通過孔とを備え、
前記枠状フレームは、
前記一対のセパレーターの内で前記第１の電極の側に位置する一方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第１通過孔を通過する前記第１の反応ガスを前記第１の電極に導く第１流路溝を備え、前記一対のセパレーターの内の他方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第２通過孔を通過する前記第２の反応ガスを前記第２の電極に導く第２流路溝を備える
ことを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池では、一対のセパレーターにて発電体層を挟持するに当たり、枠状フレームの窓部に発電体を組み込んだ上で、窓部を取り囲んで発電体層の周縁に位置することになる枠状フレームの枠部を一対のセパレーターの周縁部に重ねて挟持する。この際、窓部に組み込まれた発電体層の第１と第２の電極の間の通気は、枠状フレームで遮断され、発電体層の第１、第２の電極の周囲、即ち枠状フレームの枠部は、セパレーターの周縁部で挟持されてセパレーター間を気密に区画する。このため、発電体層の第１と第２の電極との間においては、電解質膜を挟んで向かい合う領域のみならず、電極周囲にあっても、ガス通気の上から遮断されることになる。
【０００９】
こうした上で、上記構成の燃料電池は、枠状フレームの枠部と一対のセパレーターの周縁部とに形成された第１通過孔を第１の反応ガスを通過させ、この第１の反応ガスを、第１の電極の側に位置する一方のセパレーターの側の枠部の表層に設けた第１流路溝を経て第１の電極に導く。この場合、第１流路溝は、第１の電極の側に位置するセパレーターの側の枠部の表層に形成されているに過ぎないことから、第１の反応ガスが第２の電極側に流れることはない。第２の反応ガスについても同様であり、上記構成の燃料電池は、枠状フレームの枠部と一対のセパレーターの周縁部とに形成された第２通過孔を第２の反応ガスを通過させ、この第２の反応ガスを、第２の電極の側に位置する他方のセパレーターの側の枠部の表層に設けた第２流路溝を経て第２の電極に導き、この第２の反応ガスを第１の電極側に流すことはない。よって、上記構成の燃料電池では、枠状フレームを介してセパレーターに挟持された発電体層の第１と第２の電極に、第１の反応ガスと第２の反応ガスを分離供給して発電できる。つまり、上記構成の燃料電池によれば、発電に必要なガスの分離供給を単一の枠状フレームを用いることで達成できることから、燃料電池の構成部品点数を低減させて、構成の簡略化と薄肉化とを両立できる。
【００１０】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記発電体層の第１、第２の両電極については、これらを、前記第１の電極の電極周縁が前記電解質膜の周縁より電極面中央寄りとなるようにした上で、前記枠状フレームの前記窓部を前記発電体層の外郭形状より小さい形状とし、前記窓部の側の前記枠部の周縁にて、前記第１の電極の前記電極周縁から前記電解質膜の周縁に亘るまでの前記電解質膜の膜面を気密に被覆するようにできる。こうすれば、電解質膜を挟んだ前記第１と第２の電極の間の通気遮断が前記窓部の側の前記枠部の周縁にて達成でき、通気遮断領域は第１の電極の電極周縁の電解質膜の膜面となるので、通気遮断の信頼性を高めることができると共に、通気遮断が簡便となる。
【００１１】
また、前記第１の電極と前記一方のセパレーターとの間に流路形成部材を配置し、この流路形成部材にて、前記第１の電極の電極面において該電極面に沿った前記第１の反応ガスの流路を形成するにした上で、この流路形成部材を前記枠状フレームの前記窓部にて位置決めすることができる。こうすれば、流路形成部材の位置決めのための治具が不要となるので、燃料電池の製造工程の簡略化やコスト低減を図ることができる。
【００１２】
更に、前記一方のセパレーターについては、これを少なくとも前記枠状フレームと接触する範囲を平面とでき、こうすれば、セパレーターの周縁部と枠状フレームの枠部との接触を面接触とできることから、両者の接着固定のための接着剤の塗布を簡便化できる。
【００１３】
また、窓部の側の枠部の周縁にて第１の電極の前記電極周縁から前記電解質膜の周縁に亘るまでの前記電解質膜の膜面を気密に被覆するに当たり、この第１の電極をカソード電極とできる。カソード電極は、アノード電極に比べて電極形成用の触媒を多く使用するので、カソード電極たる第１の電極の電極面積範囲が狭くなる分、触媒使用量の低減を図ることができる。
【００１４】
[適用２：燃料電池の製造方法]
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜を挟んで各膜面に第１と第２の電極を接合した膜電極接合体を含み前記第１の電極をその電極周縁が前記第２の電極の周縁より電極面中央寄りとなるようにした発電体層と、該発電体層の発電反応に供される第１と第２の反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、前記発電体層の外郭形状より小さい形状で開けられた窓部を取り囲む枠部を前記一対のセパレーターの周縁部にまで延在させて有する枠状フレームとを準備する準備工程と、
前記一対のセパレーターの内の一方のセパレーターに、該セパレーターの周縁部と前記枠状フレームの前記枠部とが重なるよう、前記枠状フレームを積層する第１の積層工程と、
前記枠状フレームの前記窓部の側の前記枠部の周縁にて、前記第１の電極の前記電極周縁から前記電解質膜の周縁に亘るまでの前記電解質膜の膜面が気密に覆われるよう、前記枠状フレームに前記発電体層を積層する第２の積層工程と、
前記一対のセパレーターの内の他方のセパレーターを、その周縁部が前記枠状フレームの前記枠部に重なるよう、前記枠状フレームに積層する第３の積層工程とを備え、
前記準備工程にて準備された前記一対のセパレーターは、前記周縁部に、前記発電体層における前記第１の電極への給排の対象となる前記第１の反応ガスが通過する第１通過孔と、前記第２の電極への給排の対象となる前記第２の反応ガスが通過する第２通過孔とを備え、
前記準備工程にて準備された前記枠状フレームは、前記枠部に前記第１通過孔と前記第２通過孔とを備えると共に、前記一方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第１通過孔を通過する前記第１の反応ガスを前記第１の電極に導く第１流路溝を備え、前記他方のセパレーターの側の前記枠部の表層に、前記第２通過孔を通過する前記第２の反応ガスを前記第２の電極に導く第２流路溝を備え、
前記第１と第３の積層工程では、前記セパレーターの前記第１通過孔と前記第２通過孔とが前記枠状フレームの前記第１通過孔と前記第２通過孔とが重なるようにされる
ことを要旨とする。
【００１５】
上記した手順を有する燃料電池の製造方法によれば、上記のように構成された発電体層と一対のセパレーターおよび枠状フレームとを準備した上で、一方のセパレーター、枠状フレーム、発電体層および他方のセパレーターを積層すればよいことから、燃料電池の製造工程の簡略化、延いてはコスト低減を図ることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２００の概略構成と合わせて平面視と１−１線断面視にて示す説明図である。
【図２】枠状フレーム２４０を平面視して示す説明図である。
【図３】図２における３−３線断面図である。
【図４】図２における４−４線断面図である。
【図５】図２における５−５線断面図である。
【図６】図２における６−６線断面図である。
【図７】枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における７−７線に沿って断面視して示す説明図である。
【図８】枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における８−８線に沿って断面視して示す説明図である。
【図９】枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における９−９線に沿って断面視して示す説明図である。
【図１０】枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における１０−１０線に沿って断面視して示す説明図である。
【図１１】燃料電池２００と燃料電池スタック１００の製造手順を示す工程図である。
【図１２】枠状フレーム２４０の組み込みの様子を示す説明図である。
【図１３】ガス流路形成部材２３０の組み込みの様子を示す説明図である。
【図１４】発電体層２１０の組み込みの様子を示す説明図である。
【図１５】向かい合うセパレーター２２０の組み付けの様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２００の概略構成と合わせて平面視と１−１線断面視にて示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池２００を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ（図示省略）を配置して、これをエンドプレート（図示省略）で挟持して構成される。この燃料電池スタック１００は、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド１１０ｉｎ、空気供給マニホールド１１２ｉｎから燃料電池２００に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド１１０ｏｕｔおよび空気排出マニホールド１１２ｏｕｔから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド１１４ｉｎから燃料電池２００に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド１１４ｏｕｔから排出される。
【００１８】
これら給排のマニホールドは、図示するように矩形形状をなす燃料電池２００の周縁に形成されており、水素供給マニホールド１１０ｉｎと水素排出マニホールド１１０ｏｕｔは、図１の平面図に示すように対角に配置されている。空気供給マニホールド１１２ｉｎと空気排出マニホールド１１２ｏｕｔは、長手方向の周縁に向かい合って配置されている。冷却水供給マニホールド１１４ｉｎと冷却水排出マニホールド１１４ｏｕｔは、水素の給排マニホールドと並んで配置されている。そして、水素供給マニホールド１１０ｉｎと水素排出マニホールド１１０ｏｕｔは、それぞれが単独でその周囲においてシール材１２１でシールされ、空気供給マニホールド１１２ｉｎと空気排出マニホールド１１２ｏｕｔは、供給用と排出用でまとめてその周囲においてシール材１２２でシールされている。冷却水供給マニホールド１１４ｉｎと冷却水排出マニホールド１１４ｏｕｔは、これらマニホールドが対向する領域を含めて、シール材１２０にてシールされている。
【００１９】
燃料電池２００は、発電体層２１０と、これを挟持する一対のセパレーター２２０と、枠状フレーム２４０と、ガス流路形成部材２３０を備える。発電体層２１０は、矩形形状をなし、電解質膜・電極接合体としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２１２の両面にアノード側ガス拡散層２１６とカソード側ガス拡散層２１８を接合して構成される。ＭＥＡ２１２は、電解質膜２１３の表面上に、アノード電極２１４とカソード電極２１５とを備える。電解質膜２１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜２１３には、ナフィオン（登録商標）を用いた。アノード電極２１４およびカソード電極２１５は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１３を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２０】
アノード側ガス拡散層２１６とカソード側ガス拡散層２１８は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、アノード側ガス拡散層２１６とカソード側ガス拡散層２１８は、カーボンペーパを用いた。アノード側ガス拡散層２１６とカソード側ガス拡散層２１８は、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極２１５またはアノード電極２１４の全面に供給する。この両ガス拡散層は、後述するガス流路形成部材２３０と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ２１２の保護機能も担っている。
【００２１】
発電体層２１０は、ＭＥＡ２１２における電解質膜２１３の両膜面のアノード電極２１４とカソード電極２１５、およびＭＥＡ２１２の両側のアノード側ガス拡散層２１６とカソード側ガス拡散層２１８について、その形成範囲を異なるものとした。この様子は、後に詳述するが図１の断面図に示されており、発電体層２１０は、カソード電極２１５を、その電極周縁が電解質膜２１３およびアノード電極２１４の周縁より電極面中央寄りとなるようにして備え、カソード側ガス拡散層２１８についてもアノード側ガス拡散層２１６と同様とされている。このため、発電体層２１０は、カソード電極２１５の側の発電体層周縁を、ＭＥＡ２１２、詳しくは電解質膜２１３が発電体層周囲に亘って露出した膜露出周縁部２１９とする。つまり、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８とがなす矩形形状は、電解質膜２１３とアノード電極２１４およびアノード側ガス拡散層２１６がなす矩形形状より小さくされている。
【００２２】
本実施例の燃料電池２００は、カソード電極２１５の側にガス流路形成部材２３０を備える。このガス流路形成部材２３０は、発電体層２１０におけるＭＥＡ２１２のカソード電極２１５にガス（空気）を供給するガス流路を形成する。ガス流路形成部材２３０は、発電体層２１０のカソード電極２１５の側で、カソード側ガス拡散層２１８とセパレーター２２０との間（流路形成領域）に配設され、セパレーター２２０を介して供給された酸化ガス（ここでは空気）を、ＭＥＡ２１２の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、空気を発電体層２１０のカソード電極２１５に供給する。かかるガス流路形成部材２３０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などの薄板を用いたエキスパンドメタルとされ、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８がなす矩形形状と同じ形状もしくはやや大きめの矩形形状とされている。
【００２３】
本実施例の燃料電池２００は、アノード電極２１４への燃料ガス（ここでは水素）の供給流路と冷却水流路とを、アノード側ガス拡散層２１６の側においてセパレーター２２０にて形成する。以下、この点を含めてセパレーター２２０の構成を説明する。
【００２４】
セパレーター２２０は、発電体層２１０とこれにカソード電極２１５の側で重なったガス流路形成部材２３０とを挟持すべく向かい合って配置され、向かい合うセパレーター２２０で対をなす。セパレーター２２０は、カソード電極２１５の側に位置してガス流路形成部材２３０が積層される平板状のカソード側プレート２２２ｃと、発電体層２１０と対向する領域において凹凸を有するアノード側プレート２２２ａとを有する。アノード側、カソード側の両プレートは、ガス不透過な導電性部材、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などの薄板鋼板のシャーリング、凹凸プレスを経てそれぞれ形成される。アノード側プレート２２２ａは、適宜な金属接合手法にて、凹凸の頂上部をカソード側プレート２２２ｃに気密且つ液密に接合され、凹凸の谷部を発電体層２１０のアノード側ガス拡散層２１６に当接させる。これにより、セパレーター２２０は、アノード側プレート２２２ａにおける凹凸形成領域において、アノード側ガス拡散層２１６の側にアノード側流路２２４を形成し、カソード側プレート２２２ｃの側に冷却水流路２２６を形成する。この場合、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃとを接合手法にて接合せず、燃料電池スタック１００の締結用に用いる締結シャフトが及ぼす締結力にて接合するようにすることもできる。
【００２５】
アノード側流路２２４と冷却水流路２２６とは、アノード側プレート２２２ａの凹凸領域において区画され、アノード側流路２２４は、図１の断面視における紙面手前から奥側に流れる流路と、紙面奥側から手前側に流れる流路とが交互に並んだ折り返し流路として形成される。このアノード側流路２２４は、水素供給マニホールド１１０ｉｎの側で当該マニホールドとガス流入部２２４ｉｎと繋がり、水素排出マニホールド１１０ｏｕｔの側でガス流出部２２４ｏｕｔと繋がっていることから、発電体層２１０のアノード電極２１４には、水素ガスが上記した折り返し流路のアノード側流路２２４を経て供給される。冷却水流路２２６についても同様であり、冷却水は、冷却水供給マニホールド１１４ｉｎから冷却水流入部２２６ｉｎを経て折り返し流路の冷却水流路２２６を通過して電池冷却を図り、冷却水流出部２２６ｏｕｔを経て冷却水排出マニホールド１１４ｏｕｔから排出される。
【００２６】
アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃとは、同じ矩形形状の外郭を備え、アノード側プレート２２２ａにあっては、プレート周縁部の内部を、既述した凹凸の形成を経てアノード側流路２２４と冷却水流路２２６とをそれぞれ折り返し形成する。そして、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃの両プレートは、その周縁部において向き合い、この向き合った周縁部において既述した水素供給マニホールド１１０ｉｎ等のマニホールドを備え、各マニホールドを既述したシール材１２０〜１２２にてシールする。よって、燃料電池２００が積層された燃料電池スタック１００においては、その積層方向に沿って水素供給マニホールド１１０ｉｎ等のマニホールドが形成され、各マニホールドは、燃料電池２００ごとにシールされる。また、セパレーター２２０におけるアノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃとの液密・気密性についても、プレート周縁部におけるシール材１２０〜１２２にて確保される。
【００２７】
上記した構成のセパレーター２２０は、発電体層２１０とガス流路形成部材２３０を間に挟んで向かい合う。そして、一方のセパレーター２２０のカソード側プレート２２２ｃと他方のアノード側プレート２２２ａとが、本願における一対のセパレーターを構成し、水素および空気の給排に関与する。なお、アノード側およびカソード側の上記プレートは、その間に介在する枠状フレーム２４０と接着剤層１３０にて固定されるが、これについては、後述する。
【００２８】
次に、枠状フレーム２４０について説明する。図２は枠状フレーム２４０を平面視して示す説明図、図３は図２における３−３線断面図、図４は図２における４−４線断面図、図５は図２における５−５線断面図、図６は図２における６−６線断面図である。なお、図３と図４にあっては、上記の線に沿って切断した上で、その断面を右９０度回転させて示している。
【００２９】
図２に示すように、枠状フレーム２４０は、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃの両プレートと同じ矩形形状の外郭形状とされ、その中央領域を、発電体層２１０が組み込まれる窓部２４２とし、当該窓部を枠部２４４で取り囲む。この枠状フレーム２４０は、燃料電池２００の運転温度に対する耐熱性と気密性並びに電気絶縁性を有する樹脂成型品であり、種々のエンジニアリングプラスチック、例えば、ポリプロピレン、フェノール樹脂等から形成される。
【００３０】
枠状フレーム２４０は、枠部２４４の外郭形状をセパレーター２２０の上記両プレートと同じにするので、図１に示すように、枠状フレーム２４０は、向かい合う一対のセパレーター２２０、詳しくは向かい合うセパレーター２２０におけるアノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃの周縁部に枠部２４４を重ねる。そして、枠状フレーム２４０は、セパレーター２２０における水素供給マニホールド１１０ｉｎと繋がる水素供給マニホールド１１０ｉｎを枠部２４４に有する。水素供給マニホールド１１０ｉｎの他の各マニホールドについても同様である。
【００３１】
窓部２４２は、ガス流路形成部材２３０がなす矩形形状と同一もしくは僅かに小さな矩形形状とされている。このため、枠状フレーム２４０へは、枠状フレーム２４０の窓部２４２に、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８およびガス流路形成部材２３０とが嵌り込むようにして、発電体層２１０を組み込むことができる。このように発電体層２１０が組み込まれると、窓部２４２の側の枠部２４４の周縁は、発電体層２１０の膜露出周縁部２１９と接合し、樹脂接着剤、例えばポリイソブチレン等が硬化した接着剤層１３０（図１参照）により膜露出周縁部２１９と接着される。この接着により、枠状フレーム２４０は、窓部２４２の側の枠部２４４の周縁にて、カソード電極２１５の電極周縁から電解質膜２１３の周縁に亘る膜露出周縁部２１９において、電解質膜２１３の膜面を気密に被覆することになる（図１参照）。また、枠状フレーム２４０は、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃの周縁部に重なる枠部２４４を接着剤層１３０にてこれら各プレートに接着させるので、上記の両プレートの間を枠部２４４にて気密に区画する。
【００３２】
枠状フレーム２４０への発電体層２１０の組み込みは、フレーム表裏のどちらの側からも可能であるが、後述するように枠状フレーム２４０でのアノードおよびカソードの両電極へのガスの分離供給を行うべく、枠状フレーム２４０に対しては、一方向からのみの組み込みを行うようにした。以下、説明の便宜上、図１に示す電池構成において、組み込み対象となる発電体層２１０の膜露出周縁部２１９と接合する枠部２４４の表面をアノード側表面２４２ｓａと称し、その裏面をカソード側表面２４２ｓｃと称する。カソード側表面２４２ｓｃは、窓部２４２に組み込まれた発電体層２１０（図１参照）のカソード電極２１５の側に位置するカソード側プレート２２２ｃの側の枠部表面となる。アノード側表面２４２ｓａは、カソード側プレート２２２ｃに向き合うアノード側プレート２２２ａの側の枠部表面となる。
【００３３】
図２〜図６に示すように、枠状フレーム２４０は、枠部２４４において、そのカソード側表面２４２ｓｃの側に複数筋の有底の第１流路溝２４６を備え、アノード側表面２４２ｓａの側に複数筋の有底の第２流路溝２４８を備える。第１流路溝２４６は、それぞれの空気供給マニホールド１１２ｉｎと空気排出マニホールド１１２ｏｕｔとについて形成され、これらマニホールドから窓部２４２に達する溝とされている。第２流路溝２４８は、水素供給マニホールド１１０ｉｎと水素排出マニホールド１１０ｏｕｔについて形成され、これらマニホールドから窓部２４２の側に延びるものの、窓部２４２には達しない溝とされている。
【００３４】
次に、上記した枠状フレーム２４０によるガスの分離供給について説明する。図７は枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における７−７線に沿って断面視して示す説明図、図８は枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における８−８線に沿って断面視して示す説明図、図９は枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における９−９線に沿って断面視して示す説明図、図１０は枠状フレーム２４０を組み込み済みの燃料電池２００を図２における１０−１０線に沿って断面視して示す説明図である。なお、図７と図８にあっては、上記の線に沿って切断した上で、その断面を右９０度回転させて示している。
【００３５】
図７に示すように、枠状フレーム２４０は、第１流路溝２４６をカソード側ガス拡散層２１８とこれに覆われたカソード電極２１５（図１参照）の側に位置するカソード側プレート２２２ｃの側で、枠部２４４の表層に備え、この第１流路溝２４６は、空気供給マニホールド１１２ｉｎから窓部２４２まで延びる。このため、空気供給マニホールド１１２ｉｎを通過する空気は、第１流路溝２４６に導かれて窓部２４２のガス流路形成部材２３０に流れ込んだ後、カソード側ガス拡散層２１８を経てカソード電極２１５に供給される。空気のオフガスは、ガス流路形成部材２３０から空気排出マニホールド１１２ｏｕｔの側の第１流路溝２４６を経て、この空気排出マニホールド１１２ｏｕｔに排出される。
【００３６】
図８では、枠状フレーム２４０にて空気供給マニホールド１１２ｉｎの側方が塞がれているので上記した空気の供給は起きないものの、これは第１流路溝２４６と第１流路溝２４６との間での現象であることから、空気供給マニホールド１１２ｉｎを通過する空気は、複数筋の第１流路溝２４６（図２参照）にて、カソード側ガス拡散層２１８とカソード電極２１５に支障なく供給される。この際、枠状フレーム２４０は、図におけるその上下面において、接着剤層１３０にてアノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃに接着されて両プレート間を気密に区画した上で、第１流路溝２４６の底部部位にて、アノード側プレート２２２ａが形成するアノード側流路２２４のガス流入部２２４ｉｎとガス流出部２２４ｏｕｔを塞いでいる。また、枠状フレーム２４０は、接着剤層１３０による発電体層２１０の膜露出周縁部２１９との接着による当該周縁部の被覆によって、カソード電極２１５と電解質膜２１３との間の通気も遮断する。つまり、枠状フレーム２４０は、空気が発電体層２１０のアノード電極２１４の側に入り込まないようにする。
【００３７】
その一方、水素の供給については、図９に示すように、枠状フレーム２４０は、第２流路溝２４８をアノード側プレート２２２ａの側で、枠部２４４の表層に備え、この第２流路溝２４８は、水素供給マニホールド１１０ｉｎから延びるものの窓部２４２には到達せず、溝上部の開口を、アノード側プレート２２２ａが形成するアノード側流路２２４のガス流入部２２４ｉｎに臨ませている。このため、水素供給マニホールド１１０ｉｎを通過する水素は、第２流路溝２４８に導かれてガス流入部２２４ｉｎからアノード側流路２２４に流れ込んだ後、アノード側ガス拡散層２１６を経てアノード電極２１４に供給される。水素のオフガスは、アノード側流路２２４の末端のガス流出部２２４ｏｕｔから第２流路溝２４８を経て、水素排出マニホールド１１０ｏｕｔに排出される。
【００３８】
図１０では、枠状フレーム２４０にて水素供給マニホールド１１０ｉｎの側方が塞がれているので上記した水素の供給は起きないものの、これは第２流路溝２４８と第２流路溝２４８との間での現象であることから、水素供給マニホールド１１０ｉｎを通過する水素は、複数筋の第２流路溝２４８（図２参照）にて、アノード側ガス拡散層２１６とアノード電極２１４に支障なく供給される。この際、枠状フレーム２４０は、既述したようにアノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃの両プレート間の気密な区画と、膜露出周縁部２１９の被覆によるカソード電極２１５と電解質膜２１３との間の通気遮断とにより、水素が発電体層２１０のカソード電極２１５の側に入り込まないようにする。
【００３９】
次に、上記した燃料電池２００、延いては燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。図１１は燃料電池２００と燃料電池スタック１００の製造手順を示す工程図、図１２は枠状フレーム２４０の組み込みの様子を示す説明図、図１３はガス流路形成部材２３０の組み込みの様子を示す説明図、図１４は発電体層２１０の組み込みの様子を示す説明図、図１５は向かい合うセパレーター２２０の組み付けの様子を示す説明図である。
【００４０】
図１１に示す手順によれば、まず、燃料電池２００の構成部材となるセパレーター２２０と、枠状フレーム２４０、ガス流路形成部材２３０、発電体層２１０を準備する（ステップＳ１００）。これら構成部材の準備個数は、燃料電池スタック１００に含まれる燃料電池２００の数に応じて決定され、一つの燃料電池２００については、向かい合う二つのセパレーター２２０と、一つの枠状フレーム２４０とガス流路形成部材２３０と発電体層２１０とが準備される。
【００４１】
この準備の対象となる発電体層２１０は、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８の形成領域を電解質膜２１３とアノード電極２１４の周縁より電極面中央寄りに控えて、発電体層２１０の周囲に亘って電解質膜２１３を露出した膜露出周縁部２１９を有する（図１４参照）。セパレーター２２０にあっては、図１２に示すように、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃとを、そのプレート周縁部２２３においてシール材１２０〜１２２を介在させた上で接合済みであって、プレート周縁部２２３に水素供給マニホールド１１０ｉｎ等の各マニホールドを有する。ガス流路形成部材２３０にあっては、既述した矩形形状とされたエキスパンドメタルであり、枠状フレーム２４０は、既述した窓部２４２や、第１流路溝２４６、第２流路溝２４８の他、枠部２４４に水素供給マニホールド１１０ｉｎ等の各マニホールドを有する（図１２参照）。
【００４２】
構成部材の準備に続いては、一方のセパレーター２２０に枠状フレーム２４０を積層する（ステップＳ１１０）。この様子は図１２に示されており、まず、セパレーター２２０における平板状のカソード側プレート２２２ｃに既述した接着剤層１３０となる接着剤（ポリイソブチレン等）を塗布する。カソード側プレート２２２ｃにおける接着剤塗布範囲は、枠状フレーム２４０の窓部２４２に相当する非塗布領域Ｐｒから外側のプレート周縁部２２３の上面である。接着剤を枠状フレーム２４０における枠部２４４に塗布することもできる。接着剤塗布後には、枠状フレーム２４０を図における下面側のカソード側表面２４２ｓｃがカソード側プレート２２２ｃの上面に接合するよう載置して、枠状フレーム２４０をセパレーター２２０に積層する。この積層の際には、セパレーター２２０のプレート周縁部２２３と枠状フレーム２４０の枠部２４４が重なり、各マニホールドが積層方向に繋がるようにし、その後の乾燥養生を経て、枠状フレーム２４０をセパレーター２２０に接着固定する。
【００４３】
次いで、ガス流路形成部材２３０を組み込む（ステップＳ１２０）。この様子は図１３に示されており、ガス流路形成部材２３０を枠状フレーム２４０の窓部２４２に嵌め込む。窓部２４２は、既述したように、ガス流路形成部材２３０の矩形形状と同じもしくはこれより僅かに小さくされているので、ガス流路形成部材２３０は、窓部２４２に嵌合されてこの窓部２４２自体で位置決めされる。組み込まれたガス流路形成部材２３０は、枠状フレーム２４０がカソード側プレート２２２ｃに接合するカソード側表面２４２ｓｃの側に有する第１流路溝２４６と部材端面で繋がることになる。
【００４４】
ガス流路形成部材２３０の組み込みに続いては、発電体層２１０を組み込む（ステップＳ１３０）。この様子は図１４に示されており、発電体層２１０は、カソード側ガス拡散層２１８とカソード電極２１５の形成が控えられた膜露出周縁部２１９が枠状フレーム２４０の枠部２４４の窓側周縁に重なり、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８が窓部２４２に嵌り込むよう、枠状フレーム２４０に組み付けられる。この組み付けに先だち、枠部２４４の窓側周縁或いは膜露出周縁部２１９には上記の接着剤が塗布され、膜露出周縁部２１９は、窓部２４２の側の枠部２４４の周縁にて、気密に覆われる。接着剤の効果を経た接着剤層１３０により、この気密は確保される。また、窓部２４２へのカソード側ガス拡散層２１８の嵌り込みにより、発電体層２１０は、枠状フレーム２４０、延いてはセパレーター２２０に対して位置決めされることになり、枠状フレーム２４０の第２流路溝２４８を塞ぐことはない。
【００４５】
続いて、もう一つのセパレーター２２０を組み付け、発電体層２１０とガス流路形成部材２３０および枠状フレーム２４０を、対向するセパレーター２２０で挟持する（ステップＳ１４０）。この様子は図１５に示されており、先のセパレーター２２０への枠状フレーム２４０の組み付けと同様、まず、積層対象のセパレーター２２０におけるアノード側プレート２２２ａのプレート周縁部２２３或いは枠状フレーム２４０の枠部２４４に接着剤を塗布する。そして、接着剤塗布後には、積層対象のセパレーター２２０を、そのプレート周縁部２２３が枠状フレーム２４０の枠部２４４に重なり、各マニホールドが積層方向に繋がるように、枠状フレーム２４０に載置して、積層対象のセパレーター２２０を枠状フレーム２４０に積層する。その後、乾燥養生を経て、積層対象のセパレーター２２０を枠状フレーム２４０に接着固定する。これにより、向かい合うセパレーター２２０は、そのプレート周縁部２２３を枠状フレーム２４０の枠部２４４に接合させて接着剤層１３０にて接着固定されるので、水素供給マニホールド１１０ｉｎ等の各マニホールドは、それぞれが積層方向に繋がり、枠状フレーム２４０にて、向かい合うセパレーター２２０の間が気密に区画される。また、ステップＳ１４０で積層されたセパレーター２２０は、そのアノード側プレート２２２ａの凹凸の連続の凸部を発電体層２１０のアノード側ガス拡散層２１６に押し付けるので、このアノード側ガス拡散層２１６の表面の側にアノード側流路２２４と冷却水流路２２６とを形成する。このステップＳ１４０までで、個々の燃料電池２００が得られる。
【００４６】
続いて、得られた燃料電池２００を、図１に示すように積層してスタック化する（ステップＳ１５０）。このスタック化では、図示しないターミナルやインシュレータおよびエンドプレートをスタック済み燃料電池２００の両端に配置して、積層方向に延びる図示しない締結シャフトにて、積層方向に締結力を及ぼして固定する。これにより、燃料電池２００を積層した燃料電池スタック１００が得られる。
【００４７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池２００では、発電体層２１０を挟持するよう向かい合うセパレーター２２０を同一構成として、平板状のカソード側プレート２２２ｃとガスおよび冷却水の流路形成のためのアノード側プレート２２２ａで構成する。向かい合うセパレーター２２０にて、発電体層２１０とガス流路形成部材２３０および枠状フレーム２４０を挟持する。この際、枠状フレーム２４０には、その窓部２４２にガス流路形成部材２３０と発電体層２１０を組み込んで（図１３〜図１４参照）、ガス流路形成部材２３０とカソード側ガス拡散層２１８を２４２内に配置して、発電体層２１０の膜露出周縁部２１９を枠状フレーム２４０の枠部２４４にて気密に被覆する（図７〜図１０参照）。その上で、窓部２４２を取り囲んで発電体層２１０の周縁に位置することになる枠状フレーム２４０の枠部２４４を、向かい合うセパレーター２２０のプレート周縁部２２３に重ねて挟持する。
【００４８】
本実施例の燃料電池２００は、上記した膜露出周縁部２１９の被覆により、窓部２４２に組み込み済みの発電体層２１０において、電解質膜２１３を挟んだアノード電極２１４とカソード電極２１５との間の通気を、枠状フレーム２４０の枠部２４４で遮断する。しかも、発電体層２１０のアノード電極２１４とカソード電極２１５の両電極の周囲においては、枠状フレーム２４０の枠部２４４をセパレーター２２０のプレート周縁部２２３で挟持することで、この枠部２４４にて、セパレーター２２０の間を気密に区画する。このため、本実施例の燃料電池２００は、発電体層２１０のアノード電極２１４とカソード電極２１５との間において、電解質膜２１３を挟んで向かい合う領域のみならず、電極周囲、具体的には膜露出周縁部２１９にあっても、ガス通気の上から遮断する。
【００４９】
また、本実施例の燃料電池２００は、向かい合うセパレーター２２０とセパレーター間を気密に区画する枠状フレーム２４０とに、重なり合うプレート周縁部２２３と枠部２４４とを貫通する水素供給マニホールド１１０ｉｎ等のガス供給のためのマニホールドを繋げて備える。その上で、セパレーター間を気密に区画する枠状フレーム２４０には、カソード側プレート２２２ｃの側の枠部２４４に、空気供給マニホールド１１２ｉｎから、ガス流路形成部材２３０とカソード側ガス拡散層２１８が嵌合済みの窓部２４２まで達する第１流路溝２４６を備える（図７参照）。これにより、本実施例の燃料電池２００は、空気供給マニホールド１１２ｉｎを通過する空気を、第１流路溝２４６を経てガス流路形成部材２３０、延いてはカソード側ガス拡散層２１８とカソード電極２１５に導く。この第１流路溝２４６は、カソード電極２１５の側に位置するカソード側プレート２２２ｃの側の枠部２４４の表層に有底状に形成されているに過ぎないことから、空気をアノード電極２１４の側に流すことはない。
【００５０】
水素供給についても同様であり、本実施例の燃料電池２００は、セパレーター間を気密に区画する枠状フレーム２４０には、アノード側プレート２２２ａの側の枠部２４４に、水素供給マニホールド１１０ｉｎから窓部２４２の手前まで延びて溝開口をガス流入部２２４ｉｎに臨ませた第２流路溝２４８を備える（図９参照）。これにより、本実施例の燃料電池２００は、水素供給マニホールド１１０ｉｎを通過する水素を、第２流路溝２４８を経てアノード側プレート２２２ａのアノード側流路２２４からアノード側ガス拡散層２１６とアノード電極２１４に導く。この第２流路溝２４８は、アノード電極２１４の側に位置するアノード側プレート２２２ａの側の枠部２４４の表層に有底状に形成されているに過ぎないことから、水素をカソード電極２１５の側に流すことはない。よって、本実施例の燃料電池２００では、向かい合うセパレーター２２０の間に枠状フレーム２４０を介して挟持された発電体層２１０のアノード電極２１４とカソード電極２１５に、水素と空気を分離供給して発電できる。この結果、本実施例の燃料電池２００によれば、発電に必要な水素と空気の分離供給を単一の枠状フレーム２４０を用いることで達成できることから、燃料電池の構成部品点数の低減を通して、構成の簡略化と薄肉化とを両立できる。
【００５１】
また、本実施例の燃料電池２００では、発電体層２１０において、カソード電極２１５とカソード側ガス拡散層２１８を電解質膜２１３の周縁から控えて形成するようにして膜露出周縁部２１９を設けた上で、窓部２４２にカソード側ガス拡散層２１８を嵌合させた。こうすることで、膜露出周縁部２１９の範囲において、電解質膜２１３を含めて枠部２４４にて気密に被覆するので、気密な被覆領域を広くでき、通気遮断の信頼性の向上と、簡便な通気遮断を図ることができる。この際、膜露出周縁部２１９と枠部２４４とを接着剤層１３０により接着するので、通気遮断の信頼性は、より高まる。
【００５２】
また、本実施例の燃料電池２００では、カソード電極２１５に重なるカソード側ガス拡散層２１８とカソード側プレート２２２ｃとの間にガス流路形成部材２３０を組み込み、このガス流路形成部材２３０にてカソード電極２１５の電極面において電極面に沿った空気の流路を形成する。その上で、ガス流路形成部材２３０を枠状フレーム２４０の窓部２４２に嵌合させて、ガス流路形成部材２３０を窓部２４２にて位置決めする。このため、ガス流路形成部材２３０の組み込みに際しての当該部材の位置決めのための治具が不要となるので、燃料電池２００の製造工程の簡略化やコスト低減を図ることができる。具体的には、図１３に示すように、ガス流路形成部材２３０については、これを窓部２４２に嵌り込むよう積層するだけでよいので、位置決め用の治具が不要なばかりか、作業内容も簡便となって作業工程が簡略となる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池２００では、枠状フレーム２４０を発電体層２１０とは別体として、これらを図１２〜図１４に示すように、順次、積層することで、枠状フレーム２４０を介して発電体層２１０を保持し、その後のセパレーター２２０の積層により、発電体層２１０をセパレーター２２０にて挟持する。このため、燃料電池２００の製造の際に、予め発電体層２１０を枠状フレーム２４０に形成したいわゆるサブアッシー品とする必要がない。通常、サブアッシー品化は、本実施例の枠状フレーム２４０に代わる枠状フレームに電解質膜２１３を形成し、その両膜面にアノード電極２１４とカソード電極２１５を形成する。こうした枠状フレームへの膜形成や膜面への電極形成の際には、電解質膜２１３に撓みやシワが発生することがある。ところが、本実施例の燃料電池２００では、上記したようにサブアッシー品化は無用であるばかりか、枠状フレーム２４０に発電体層２１０を積層すれば足りるので、電解質膜２１３に撓みやシワを起き難くできる。
【００５４】
加えて、本実施例の燃料電池２００では、カソード側プレート２２２ｃについては、これを平板状としたので、接着剤層１３０による枠状フレーム２４０の固定のための接着剤塗布は、平板状のカソード側プレート２２２ｃのプレート周縁部２２３に行えば済む。このため、カソード側プレート２２２ｃの側における接着剤塗布の均一化が簡便となり、接着剤層１３０もほぼ同じ厚みとできる。また、アノード側プレート２２２ａについても、そのプレート周縁部２２３については枠状フレーム２４０の枠部２４４と重なるよう平板状とできるので、接着剤塗布の均一化や接着剤層１３０の厚みの均一化も達成できる。そして、発電体層２１０の膜露出周縁部２１９と枠部２４４との接着にあっても、膜露出周縁部２１９がほぼ平面であることから、接着剤塗布の均一化や接着剤層１３０の厚みの均一化を図ることができる。
【００５５】
また、本実施例の燃料電池２００では、向かい合うカソード側プレート２２２ｃとアノード側プレート２２２ａのプレート周縁部２２３を平板状とした上で、この向かい合うプレート周縁部２２３の間に枠状フレーム２４０の枠部２４４を介在させる。枠状フレーム２４０の枠部２４４は、燃料電池スタック１００のそれぞれの積層位置の燃料電池２００において、プレート周縁部間の間隙を維持するよう作用する。このため、燃料電池スタック１００における積層位置が異なる燃料電池２００であっても、水素供給マニホールド１１０ｉｎ等のマニホールドのシールのためのシール材１２０〜１２２の圧縮変形の程度をほぼ同じとできるので、燃料電池スタック１００を分解した際のシール材の再利用性を高めることができる。
【００５６】
また、本実施例の燃料電池２００では、膜露出周縁部２１９を形成するために電極形成範囲を控える電極をカソード電極２１５とした。カソード電極２１５は、アノード電極２１４に比べて電極形成用の触媒を多く使用するので、膜露出周縁部２１９の形成のためにカソード電極２１５の電極面積範囲を狭くできる分、触媒使用量の低減を図ることができる。
【００５７】
また、図１１の製造手順とその様子を示す図１２〜図１５に示したように、本実施例の製造方法によれば、発電に必要な水素と空気の分離供給を単一の枠状フレーム２４０を用いることで達成できる燃料電池２００を、セパレーター２２０、枠状フレーム２４０、ガス流路形成部材２３０、発電体層２１０およびセパレーター２２０を順に積層することで製造できる。よって、燃料電池２００の製造工程の簡略化、延いてはコスト低減を図ることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の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て実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、発電体層２１０において電解質膜２１３の膜露出周縁部２１９を形成するに当たり、カソード電極２１５のみを電極形成範囲を控えるようにしたが、アノード電極２１４にあってもその形成範囲を控えるようにすることもできる。こうすれば、カソード電極２１５の形成を控えた膜露出周縁部２１９の反対側では、アノード電極２１４は形成されず、アノード側ガス拡散層２１６が電解質膜２１３に形成されることになる。この場合には、アノード電極２１４の形成を控える分についても、触媒使用量を抑制できる。
【００５９】
また、セパレーター２２０を準備するに当たっては、図１２に示すように、アノード側プレート２２２ａとカソード側プレート２２２ｃとを、そのプレート周縁部２２３においてシール材１２０〜１２２を介在させた上で接合済みのセパレーター２２０を準備したが、次のようにすることもできる。ステップＳ１１０の準備手順では、カソード側プレート２２２ｃとアノード側プレート２２２ａおよびシール材１２０〜１２２をそれぞれ個別に準備する。そして、カソード側プレート２２２ｃへの枠状フレーム２４０の積層（ステップＳ１１０）、ガス流路形成部材２３０の積層（ステップＳ１２０）、発電体層２１０の積層（ステップＳ１３０）、アノード側プレート２２２ａの積層（ステップＳ１４０）を順次行う。これに続く、ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で積層済みのアノード側プレート２２２ａに、シール材１２０〜１２２をセットした上で、カソード側プレート２２２ｃを積層し、その後は、上記した枠状フレーム２４０の積層（ステップＳ１１０）、ガス流路形成部材２３０の積層（ステップＳ１２０）、発電体層２１０の積層（ステップＳ１３０）、アノード側プレート２２２ａの積層（ステップＳ１４０）を順次繰り返した後、締結シャフトにて締結固定すればよい。
【符号の説明】
【００６０】
１００…燃料電池スタック
１１０ｉｎ…水素供給マニホールド
１１０ｏｕｔ…水素排出マニホールド
１１２ｉｎ…空気供給マニホールド
１１２ｏｕｔ…空気排出マニホールド
１１４ｉｎ…冷却水供給マニホールド
１１４ｏｕｔ…冷却水排出マニホールド
１２０〜１２２…シール材
１３０…接着剤層
２００…燃料電池
２１０…発電体層
２１２…ＭＥＡ
２１３…電解質膜
２１４…アノード電極
２１５…カソード電極
２１６…アノード側ガス拡散層
２１８…カソード側ガス拡散層
２１９…膜露出周縁部
２２０…セパレーター
２２２ａ…アノード側プレート
２２２ｃ…カソード側プレート
２２３…プレート周縁部
２２４…アノード側流路
２２４ｉｎ…ガス流入部
２２４ｏｕｔ…ガス流出部
２２６…冷却水流路
２２６ｉｎ…冷却水流入部
２２６ｏｕｔ…冷却水流出部
２３０…ガス流路形成部材
２４０…枠状フレーム
２４２…窓部
２４２ｓａ…アノード側表面
２４２ｓｃ…カソード側表面
２４４…枠部
２４６…第１流路溝
２４８…第２流路溝
Ｐｒ…非塗布領域
【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】
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【図７】
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【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】
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【図１５】
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