(57)【要約】【課題】外部リークを防止する優れたガスシール性と、優れた電気絶縁性を兼ね備えた燃料電池。【解決手段】隣接する枠片同士の重ね代部分２を設けた樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ〜１ｄと凹部を設けたアノードセパレータ４、カソードセパレータ５とＭＥＡ１７を備え、枠片１ａ，１ｂの重ね代部分２をカソードセパレータ５の凹部３ａ，３ｂに収め、重ね代部分２のない側の枠片を重ねることでカソード側に環状とし、その上にＭＥＡ１７の高分子電解質膜１６部分を重ね、さらに枠片１ａ，１ｂの重ね代部分２と異なる位置に重ね代部分２を設けた複数の枠片１ｃ，１ｄを重ね、その重ね代部分２をアノードセパレータ４の凹部３ｃ，３ｄに収めるよう重ね、燃料電池セル１００を構成し加熱加圧することで、樹脂が溶融し、凹部と枠片、また枠片同士の隙間を埋め、その状態で硬化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、
前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、
を有するセルを含む燃料電池であって、
前記枠体は、前記枠体の周方向に複数に分割された枠片を有し、
前記枠片は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、前記枠体の周方向に隣接する前記枠片の端部同士が部分的に重なっており、
前記セパレータは、前記枠片の端部同士が部分的に重なった部分を収納する凹部を有し、
前記樹脂は、前記繊維シート同士の隙間と、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間とを埋めるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
前記枠片は、前記枠体の周方向に隣接する前記繊維シートの端部同士が部分的に重なっており、
前記セパレータは、前記繊維シートの端部同士が部分的に重なった部分を収納する凹部を有する、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記凹部の深さ寸法は、前記枠体における前記凹部と対向しない部分の厚み寸法の半分以下である、
請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータは、前記一対の電極層に接触する各主面にそれぞれに対応する反応ガスの流路溝を有し、
前記凹部は、前記流路溝と連通していない、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記凹部は、前記電極層よりも外周側になるように設けられた、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記凹部は、前記枠体によって覆われる位置に設けられた、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記繊維シートは、略Ｌ字型、略コ字型、略矩形のいずれかの形状を有している、
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記繊維シートが分割された箇所では、端部の幅が比較的広い前記繊維シートの端部と端部の幅が比較的狭い前記繊維シートの端部とが対向している、
請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記膜電極接合体を挟む一対の前記セパレータの一方の前記セパレータの前記凹部と他方の前記セパレータの前記凹部とが対向していない、
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記繊維シートは、織布または不織布である、
請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記繊維シートの繊維は、無機繊維である、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記無機繊維は、ガラス繊維である、
請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂を含む、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、
前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、
を有するセルを含む燃料電池の製造方法であって、
熱で硬化する樹脂が絶縁性の繊維シートに含浸された複数の枠片同士の端部を重ね、前記枠体を周方向に分割して分割部分で対向する一方の前記枠片の端部に重ね代を付けたような形状の環状枠片を、前記高分子電解質膜の両面の周縁部に、前記電極層の外周面を囲むように配置し、かつ、前記重ね代部分を収める凹部を有する一対の前記セパレータが、前記高分子電解質膜及び前記環状枠片を挟み、前記凹部が前記重ね代部分を収めるように配置する工程と、
前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂で、前記環状枠片同士の隙間、及び前記セパレータと前記環状枠片との隙間を埋めて、前記高分子電解質膜と前記環状枠片と前記セパレータとを接合する加圧硬化工程と、
を有する、
燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記環状枠片を得る工程は、複数の前記繊維シートの端部同士を重ねて配置する工程である、
請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記環状枠片を構成する複数の前記枠片の形状を、略Ｌ字型、略コ字型、略矩形のいずれかの形状にする、
請求項１４または１５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記重ね代部分の幅を、前記環状枠片における前記重ね代部分以外の部分の幅よりも狭くする、
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記凹部を、前記膜電極接合体を挟む一対の前記セパレータの一方の前記セパレータの前記凹部と他方の前記セパレータの前記凹部とが対向しないように、設ける、
請求項１４から１７のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記加圧硬化工程は、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に複数積層し、積層方向に所定の加重をかけた状態で、前記樹脂を硬化させる工程である、請求項１４から１８のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記加圧硬化工程は、前記樹脂が軟化状態になるように前記樹脂を加熱する工程を含む、請求項１４から１９のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
前記加圧硬化工程では、熱硬化性樹脂を含む前記樹脂が硬化する温度に加熱して、前記
樹脂を硬化させる、請求項１４から２０のいずれか１項に記載の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、固体高分子電解質型の燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させるものである。固体高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称す）は、基本的構成として、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の両面に形成されたアノード電極、カソード電極とを含む。
【０００３】
これらの電極は、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層と、その触媒層の外側に配置されたガス拡散層（以下、ＧＤＬと称す）を有する。ＧＤＬは通気性と電子導電性を併せ持つ。このように高分子電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられて、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が構成されている。
【０００４】
さらに、ＭＥＡの外縁には電気絶縁性の枠が嵌められて、電極−膜−枠接合体が構成されている。また、ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定すると共に、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための、導電性のセパレータが配置される。
【０００５】
セパレータのＭＥＡと接触する部分には、それぞれの電極に反応ガスを供給し、また生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このように、ＭＥＡが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を電池セル（モジュール）という。
【０００６】
また、反応ガスをガス流路に供給するために、セパレータの縁部にはマニホールド孔が設けられ、マニホールド孔を介して反応ガスが各単電池セルへ分配供給される。さらに、枠とセパレータとの間には、ＭＥＡにおける発電領域である電極形成部の外周を囲むように、封止部材（ガスケット）が配置される。封止部材によって、ガス流路に供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりすることが防止される。
【０００７】
ところで、ＰＥＦＣにおける重要な課題の一つに、ガスの利用効率の向上がある。利用効率を下げる要因としては、ガスのクロスリーク、ガスの外部リーク、ガスのショートカットがある。
【０００８】
ここで、ガスのクロスリークとは、ＭＥＡに穴が開いてしまうことやＭＥＡの端部を回りこむことによって、アノード側の燃料ガスがカソード側に抜けることやカソード側の酸化剤ガスがアノード側に抜けることであり、そのためにガスの利用効率が低下し、ＰＥＦＣの効率（発電効率）が低下するとともに膜が劣化する。
【０００９】
ガスの外部リークとは、封止部材と当接する面の凹凸や封止部材が閉じていないこと、異材質を跨ぐなどの問題から、封止部材の機能が保てなくなることであり、ガスがリークして利用効率が低下し、ＰＥＦＣの効率（発電効率）が低下する。
【００１０】
上記課題を解決するため、封止部材としては、フッ素ゴムなどの弾性体で環状であるものが用いられる。また、封止部材と当接する枠についても、環状のものを用いることが多い。
【００１１】
つまり、ＭＥＡにおける発電領域である電極形成部の外周部分は、電極を取り囲む環状
形で電気絶縁性、ガスシール性が必要である。
【００１２】
そこで、電気絶縁性とガスシール性の両方を兼ね備える燃料電池のセパレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で提案された燃料電池のセパレータの平面図と断面図を、図１２、図１３に示す。
【００１３】
特許文献１で提案されたものは、リブ部３０１及び平坦部３０３を有する燃料電池用セパレータの平坦部分にガラスクロスプリプレグ３０４の層を表面に有しているが、平坦部３０３は、リブ部３０１を囲む環状形となっている。ガラスクロスプリプレグ３０４は、セパレータと同寸法の外形を作成し、中央部分であるリブ部３０１を切り欠いて平坦部を構成している。
【００１４】
また、上記ガラスクロスプリプレグではないが、図１４から図１６に示す、シート状ガスケット材料から一対の半円状の分割ガスケット部材を打ち抜き形成し、これら分割ガスケット部材における互いに接合される両接合端部同士を重合させて接合した構成の大型のガスケットが従来より知られている。
【００１５】
上記構成の大型ガスケットは、図１５および図１６に示すように、分割ガスケット部材４０１の接合端部４０１ａ，４０１ｂがその厚さのままで重合されるので、その重合部４０２の厚さが他の部分の厚さ（ｔ）の２倍（２ｔ）となり、加圧時に重合部４０２に過大な応力が集中して周方向での滑りや割れが発生し易い。
【００１６】
そのために、使用時におけるシール性が悪化したり、重合部４０２にクリープが発生したりし、この重合部４０２以外の部位では応力緩和現象が発生するという問題があった。
【００１７】
その問題を解消するために図１７、図１８、図１９に示すような分割ガスケットの両接合端部同士を重合させて接合させた大型ガスケットが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１８】
特許文献２で提案されたものは、分割ガスケット部材４０３の互いに接合される両接合端部の少なくとも一方に、ブラストもしくはグラインダーにより膨張黒鉛の表層部側の高配向層を除去して段差４０４を形成し、その段差部４０４同士を対面するように重合させて接合させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−３６７６２３号公報
【特許文献２】特開平１０−１３２０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、特許文献１で提案された従来の構成では、ガラスクロスプリプレグは環状であり、リブ部にあたる内側の部分は捨て材として廃棄されることになる。
【００２１】
そして、セパレータにおけるリブ部の面積の比率が高いほど無駄がないコンパクトで高性能な燃料電池と言えるため、このような燃料電池を製作するためには、ガラスクロスプリプレグの捨て材がさらに多くなり、材料ロスが多くなり、材料コストが高くなるという課題を有していた。
【００２２】
また、特許文献２で提案された従来の構成では、ガラスクロスプリプレグではないが、
膨張黒鉛の環状の大型ガスケットを分割して使用する場合に、分割ガスケット部材の接合端部をブラストもしくはグラインダーで表層部側の高配向層を除去して段差４０４を形成し、その段差部４０４同士を対面するように接合させるとよいとされている。
【００２３】
しかしながら、分割ガスケット部材に段差をつける製造工程が増える上、突合せ部４０６については、接合が不十分となる懸念があり、突合せ面に平行に隙間が生じ、ガスがリークするという課題を有していた。
【００２４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単かつ安価な方法で、セパレータ間の枠部の絶縁性とガスシール性を両立する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】
【００２５】
上記従来の課題を解決するために本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池であって、前記枠体は、前記枠体の周方向に複数に分割された枠片を有し、前記枠片は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、前記枠体の周方向に隣接する前記枠片の端部同士が部分的に重なっており、前記セパレータは、前記枠片の端部同士が部分的に重なった部分を収納する凹部を有し、前記樹脂は、前記繊維シート同士の隙間と、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間とを埋めるように形成されているのである。
【００２６】
上記構成により、分割された枠片同士を部分的に重ねる際の重ね代部分にブラストもしくはグラインダーで段差加工をすることなく、セパレータ上に環状に配置し、重ね代部分が厚くなった枠片部分をセパレータの凹部に収納し、繊維シートに内包している樹脂が、加熱しながら加圧硬化させる過程で、繊維シートとセパレータとの隙間を埋めることにより、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれについて外部リークを防止する優れたガスシール性が得られる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池の製造方法であって、熱で硬化する樹脂が絶縁性の繊維シートに含浸された複数の枠片同士の端部を重ね、前記枠体を周方向に分割して分割部分で対向する一方の前記枠片の端部に重ね代を付けたような形状の環状枠片を、前記高分子電解質膜の両面の周縁部に、前記電極層の外周面を囲むように配置し、かつ、前記重ね代部分を収める凹部を有する一対の前記セパレータが、前記高分子電解質膜及び前記環状枠片を挟み、前記凹部が前記重ね代部分を収めるように配置する工程と、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂で、前記環状枠片同士の隙間、及び前記セパレータと前記環状枠片との隙間を埋めて、前記高分子電解質膜と前記環状枠片と前記セパレータとを接合する加圧硬化工程と、を有するのである。
【００２８】
上記工程を有することれにより、セルを一体化することができ、ガスシール性とハンドリング性に優れた燃料電池を製造することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれについて外部リークを防止する優れたガスシール性と、優れた電気絶縁性を兼ね備えた燃料電池とその燃料電池の製造方法を提
供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルを模式的に示した斜視図
【図２】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっていない部分の図１のＡ−Ａ線要部断面図
【図４】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっていない部分の図１のＡ−Ａ線要部分解断面図
【図５】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＢ−Ｂ線要部断面図
【図６】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＢ−Ｂ線要部分解断面図
【図７】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＣ−Ｃ線要部断面図
【図８】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＣ−Ｃ線要部分解断面図
【図９】本発明の実施の形態にかかる燃料電池の枠片の重なり部の要部拡大斜視図
【図１０】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のカソードセパレータを酸化剤ガス流路側から見た平面図
【図１１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池のアノードセパレータを燃料ガス流路側から見た平面図
【図１２】特許文献１で提案された従来の燃料電池セパレータの平面図
【図１３】図１２のＡ−Ａ線断面図
【図１４】特許文献２に従来例として示された従来の大型ガスケットの全体斜視図
【図１５】特許文献２に従来例として示された従来の大型ガスケットにおける分割ガスケット部材の接合端部を否接合状態で示す要部拡大斜視図
【図１６】特許文献２に従来例として示された従来の大型ガスケットにおける分割ガスケット部材の接合端部を重合させて接合した状態を示す要部拡大斜視図
【図１７】特許文献２で提案された大型ガスケットの全体斜視図
【図１８】特許文献２で提案された大型ガスケットにおける分割ガスケット部材の接合端部を否接合状態で示す要部拡大斜視図
【図１９】特許文献２で提案された大型ガスケットにおける分割ガスケット部材の接合端部を重合させて接合した状態を示す要部拡大斜視図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
第１の発明の燃料電池は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池であって、前記枠体は、前記枠体の周方向に複数に分割された枠片を有し、前記枠片は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、前記枠体の周方向に隣接する前記枠片の端部同士が、部分的に重なっており、前記セパレータは、前記枠片の端部同士が部分的に重なった部分を収納する凹部を有し、前記樹脂は、前記繊維シート同士の隙間と、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間とを埋めるように形成されている。
【００３２】
上記構成により、分割された枠片同士を部分的に重ねる際の重ね代部分にブラストもしくはグラインダーで段差加工をすることなく、セパレータ上に環状に配置し、重ね代部分が厚くなった枠片部分をセパレータの凹部に収納し、繊維シートに内包している樹脂が、加熱しながら加圧硬化させる過程で、繊維シートとセパレータとの隙間を埋めることによ
り、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれについて外部リークを防止する優れたガスシール性が得られる。
【００３３】
第２の発明の燃料電池は、特に、第１の発明の燃料電池の前記枠片において、前記枠体の周方向に隣接する前記繊維シートの端部同士が部分的に重なっており、セパレータは前記繊維シートの端部同士が部分的に重なった部分を収納する凹部を有する。
【００３４】
上記構成により、繊維シートの重ね代部分が部分的に倍の厚みになった状態のままで、重なった部分を収納する凹部がないセパレータで挟み、加圧硬化した際に生じるセパレータへかかる局所応力を防止し、セパレータの割れや電極面の接触が不均一になることを防止できる。
【００３５】
第３の発明の燃料電池は、特に、第１または第２の発明に記載の燃料電池の前記セパレータの凹部の深さ寸法を、前記枠体における前記凹部と対向しない部分の厚み寸法の半分以下にしている。上記構成により、樹脂を内包している繊維シートをその厚みよりも潰し気味に加熱加圧させた際に、内包している樹脂が染み出し、セパレータや繊維シート同士の隙間を埋める効果があり、外部リークを防止する優れたガスシール性が得られる。
【００３６】
第４の発明の燃料電池は、特に、第１から第３の発明のいずれか１つの燃料電池の前記セパレータにおいて、前記一対の電極層に接触する各主面にそれぞれに対応する反応ガスの流路溝を有し、前記凹部が前記流路溝と連通していない。
【００３７】
上記構成により、樹脂を内包している繊維シートをその厚みよりも潰し気味に加熱加圧させた際に、染み出す樹脂が流路溝に流入して閉塞させたり、ガスの圧力損失を狂わせたりすることを防止できる。
【００３８】
第５の発明の燃料電池は、特に、第１から第４の発明のいずれか１つの燃料電池における前記凹部を、前記電極層よりも外周側に設けている。上記構成により、樹脂を内包している繊維シートをその厚みよりも潰し気味に加熱加圧させた際に、染み出した樹脂が、電極層側に流入して電極面積を狭くし、所定の電圧が出なくなることを防止できる。
【００３９】
第６の発明の燃料電池は、特に、第１から第５の発明のいずれか１つの燃料電池における前記凹部を、前記枠体によって覆われる位置に設けている。
【００４０】
上記構成により、樹脂を内包している繊維シートをその厚みよりも潰し気味に加熱加圧させた際に、染み出す樹脂が、セパレータの凹部を埋める際、凹部空間が大気開放されないため樹脂に内圧がかかり、セパレータや繊維シート同士の隙間を優先的に樹脂を埋めることができ、外部リークを防止する優れたガスシール性が得られる。
【００４１】
第７の発明の燃料電池は、特に、第１から第６の発明のいずれか１つの燃料電池における前記繊維シートを、略Ｌ字型、略コ字型、略矩形のいずれかの形状にしている。上記構成により、個片を単純な形状にすることが可能になり、これらを組み合わせて環状枠体を構成することができる。
【００４２】
第８の発明の燃料電池は、特に、第１から第７の発明のいずれか１つの燃料電池の前記繊維シートが分割された箇所において、端部の幅が比較的広い前記繊維シートの端部と端部の幅が比較的狭い前記繊維シートの端部とを対向させている。
【００４３】
上記構成により、繊維シートを重ねて加熱加圧した場合に発生する繊維シートの変形を１方向の単純な変形とすることができることと、セパレータの凹部を繊維シートによって
覆われる位置に設置することができる。
【００４４】
第９の発明の燃料電池は、特に、第１から第８の発明のいずれか１つの燃料電池において、前記膜電極接合体を挟む一対の前記セパレータの一方の前記セパレータの前記凹部と他方の前記セパレータの前記凹部とを対向させていない。上記構成により、膜電極接合体を挟んでセパレータの凹部が対向して配置された場合に生じる加圧時の繊維シートの大変形による膜電極接合体の破損などの不良を回避できる。
【００４５】
第１０の発明の燃料電池は、特に、第１から第９の発明のいずれか１つの燃料電池における前記繊維シートとして、織布または不織布を用いている。上記構成により、加工前形状が安定し、製造時のハンドリング性の向上と加熱加圧前後での厚さの設計可能になる。
【００４６】
第１１の発明の燃料電池は、特に、第１から第１０の発明のいずれか１つの燃料電池における前記繊維シートの繊維として、無機繊維を用いている。上記構成により、ＴＯＣ（Total Organic Carbon）等の溶出の削減が可能となり、燃料電池性能の低下を防ぐことができる。
【００４７】
第１２の発明の燃料電池は、特に、第１から第１１の発明のいずれか１つの燃料電池における前記無機繊維として、ガラス繊維を用いている。上記構成により、電極層以外を絶縁することが可能になり、セパレータ間の電気ショートを防止や耐熱性が向上する。
【００４８】
第１３の発明の燃料電池は、特に、第１から第１２の発明のいずれか１つの燃料電池における前記樹脂として、熱硬化性樹脂を含む樹脂を用いている。上記構成により、硬化後の耐熱性が向上すること、および熱可塑性樹脂に比べ溶融硬化温度が比較的低くできるので、膜電極接合体への負担を小さくできる。
【００４９】
第１４の発明の燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池の製造方法であって、熱で硬化する樹脂が絶縁性の繊維シートに含浸された複数の枠片同士の端部を重ね、前記枠体を周方向に分割して分割部分で対向する一方の前記枠片の端部に重ね代を付けたような形状の環状枠片を、前記高分子電解質膜の両面の周縁部に、前記電極層の外周面を囲むように配置し、かつ、前記重ね代部分を収める凹部を有する一対の前記セパレータが、前記高分子電解質膜及び前記環状枠片を挟み、前記凹部が前記重ね代部分を収めるように配置する工程と、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂で、前記環状枠片同士の隙間、及び前記セパレータと前記環状枠片との隙間を埋めて、前記高分子電解質膜と前記環状枠片と前記セパレータとを接合する加圧硬化工程と、を有する。
【００５０】
上記工程を有することにより、セルを一体化することができ、ガスシール性とハンドリング性に優れた燃料電池を製造することができる。
【００５１】
第１５の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４の発明の燃料電池の製造方法における前記環状枠片を得る工程を、複数の前記繊維シートの端部同士を重ねて配置する工程としている。これにより、外部ガスリークにつながる環状枠片同士の隙間をなくすことができる。
【００５２】
第１６の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４または第１５の発明の燃料電池の製造方法における、前記環状枠片を構成する複数の前記枠片の形状を、略Ｌ字型、略コ字型、略矩形のいずれかの形状にする。これにより、ロールまたはシートで供給される樹脂
が内包している繊維シートから、打ち抜いて製作する際、捨て材を少なく、すなわち歩留まりよく枠片を製造することができる。
【００５３】
第１７の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４から第１６の発明のいずれか１つの燃料電池の製造方法における前記重ね代部分の幅を、前記環状枠片における前記重ね代部分以外の部分の幅よりも狭くする。これにより、セパレータの凹部に対して重ね代部分が凹部外に乗り上げることがなく、高分子電解質膜に局所加重がかからないセルを製造することができる。
【００５４】
第１８の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４から第１７の発明のいずれか１つの燃料電池の製造方法における前記凹部を、前記膜電極接合体を挟む一対の前記セパレータの一方の前記セパレータの前記凹部と他方の前記セパレータの前記凹部とが対向しないように、設ける。
【００５５】
これにより、膜電極接合体を挟んでセパレータの凹部が対向して配置された場合に生じる加圧工程時の繊維シートの大変形により膜電極接合体の破損などの不良を回避することができる。
【００５６】
第１９の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４から第１８の発明のいずれか１つの燃料電池の製造方法における前記加圧硬化工程を、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に複数積層し、積層方向に所定の加重をかけた状態で、前記樹脂を硬化させる工程としている。
【００５７】
これにより、セルは所定の加重をかけた状態で樹脂が硬化するので、セルを硬化後開放しても、電極層は膨らむが、硬化後の環状枠片部の寸法は変わらないので、再度セルに同じ加重をかけると、電極層に所定の加重をかけることができる。
【００５８】
第２０の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４から第１９の発明のいずれか１つの燃料電池の製造方法における前記加圧硬化工程を、前記樹脂が軟化状態になるように前記樹脂を加熱する工程を含むものとする。これにより、セルの元となる部品は常温での積層工程となり、容易で安全に積層することができる。
【００５９】
第２１の発明の燃料電池の製造方法は、特に、第１４から第２０の発明のいずれか１つの燃料電池の製造方法における前記加圧硬化工程を、熱硬化性樹脂を含む前記樹脂が硬化する温度に加熱して、前記樹脂を硬化させる工程としている。これにより、セルの元となる部品の積層状態のものを複数重ねて加圧しながら熱をかけて樹脂を硬化させることが可能になり、一度に複数のセルを製作することができる。
【００６０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００６１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる燃料電池のセルを模式的に示した斜視図である。図２は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの分解斜視図である。図３は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっていない部分の図１のＡ−Ａ線要部断面図である。図４は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっていない部分の図１のＡ−Ａ線要部分解断面図である。
【００６２】
図５は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＢ−Ｂ線要部断面図である。図６は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの
枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＢ−Ｂ線要部分解断面図である。
【００６３】
図７は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＣ−Ｃ線要部断面図である。図８は本実施の形態にかかる燃料電池のセルの枠片の端部同士が部分的に重なっている部分の図１のＣ−Ｃ線要部分解断面図である。
【００６４】
図１および図２に示すように、本実施の形態の燃料電池セル１００は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称す）１７をカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂ、およびアノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄの絶縁性の枠体で囲み、一対の導電性セパレータである、燃料ガス経路を形成するアノードセパレータ４と、酸化剤ガス経路を形成するカソードセパレータ５により挟まれた形状で一体に構成されている。
【００６５】
ＭＥＡ１７は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１６と、高分子電解質膜１６の両面に形成された一対のアノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂとを備えている。
【００６６】
そして、アノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂは、通常、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜１６の表面に形成されるアノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂと、このアノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂの外面に形成される通気性及び導電性を併せ持つ燃料ガス側ガス拡散層１３ａ、酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂを備えている。
【００６７】
なお、アノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂは、図示しない撥水カーボン層と白金カーボン層との２層構造となっていてもよい。
【００６８】
より具体的には、電極部においては、ＭＥＡ１７の燃料ガス側ガス拡散層１３ａがアノードセパレータ４の表面と、酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂがカソードセパレータ５の表面と当接し、アノードセパレータ４の燃料ガス接続経路１０と燃料ガス側ガス拡散層１３ａおよび、カソードセパレータ５の酸化剤ガス電極面流路９と酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂとによって、それぞれのガス流路が確定される。
【００６９】
また、周縁部に燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔である、燃料ガスマニホールド導入部６ａ、燃料ガスマニホールド排出部６ｂ、および酸化剤ガスマニホールド導入部７ａ、酸化剤ガスマニホールド排出部７ｂが設けられている。
【００７０】
図１０は本実施の形態にかかる燃料電池のカソードセパレータを酸化剤ガス流路側から見た平面図、図１１は本実施の形態にかかる燃料電池のアノードセパレータを燃料ガス流路側から見た平面図である。
【００７１】
図１０、図１１に示すように、燃料ガスマニホールド導入部６ａ、燃料ガスマニホールド排出部６ｂおよび酸化剤ガスマニホールド導入部７ａ、酸化剤ガスマニホールド排出部７ｂからそれぞれのガスをＭＥＡ１７の電極面内に導入および排出するための酸化剤ガス接続経路１１、燃料ガス接続経路１２が設けられている。
【００７２】
なお、アノードセパレータ４、カソードセパレータ５に設けられた燃料ガスマニホールド導入部６ａ、燃料ガスマニホールド排出部６ｂ、酸化剤ガスマニホールド導入部７ａ、酸化剤ガスマニホールド排出部７ｂ、冷却水マニホールド導入部１８ａ、冷却水マニホールド排出部１８ｂは電極面の外周４辺に配置されているが、マニホールド、接続流路および電極面内の流路の形状、位置はこれに限らず、設計に応じて自由に配置しても良い。
【００７３】
ここで、アノードセパレータ４及びカソードセパレータ５は、例えば、グラッシーカーボン（厚さ３ｍｍ）を用いているが、材質は特に限定するものではなく、カーボン粒子と樹脂結合材からなる、いわゆるカーボンセパレータであってもよく、他の材質、例えばカーボン繊維を含有したプリプレグや金属板を加工したものなどであっても良い。
【００７４】
これにより、燃料ガスはアノードセパレータ４側の燃料ガス側ガス拡散層１３ａに、酸化剤ガスはカソードセパレータ５側の酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂにそれぞれ接触して電気化学反応を生じさせる。また、図１に示すセルを複数積層したセルにおいては、隣接したＭＥＡ１７が互いに電気的に直列、または並列に接続される（図示せず）。
【００７５】
アノードセパレータ４、カソードセパレータ５、およびＭＥＡ１７の周縁部は、カソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ、１ｂをカソードセパレータ５側に、アノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ、１ｄをアノードセパレータ４側に環状に配置し、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟む。
【００７６】
このとき、隣接するカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂの重ね代部分２をカソードセパレータ５上に設けられたカソードセパレータ導入部側凹部３ａ、カソードセパレータ排出部側凹部３ｂに、アノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄの重ね代部分２をアノードセパレータ４上に設けられたアノードセパレータ導入部側凹部３ｃ、アノードセパレータ排出部側凹部３ｄにそれぞれ対応させて配置する。
【００７７】
樹脂により内包された繊維シートの枠片は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが絶縁性、耐熱性、ガス透過性などの点で好ましく、基盤材料として一般的に知られているＦＲ−４をはじめ様々な物性を選定できるが、繊維および樹脂はこれに限るものではない。
【００７８】
例えば、繊維は強度、厚み、線膨張係数、含有物質に応じてセラミックス繊維などの他の無機繊維を用いても良く、樹脂はフェノール樹脂や、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などの他の熱硬化性樹脂であっても良く、また繊維を含有する樹脂と他の樹脂を多層に積層した構成や、部分的に組成の異なる構成であっても良い。
【００７９】
なお、本実施の形態では、樹脂により内包された繊維シートの枠片の形状が略Ｌ字形で環状に構成されているが、枠片の形状は略コの字形でも略矩形でもよい。
【００８０】
樹脂により内包された繊維シートの枠片が分割された箇所では、端部の幅が比較的広い樹脂により内包された繊維シートの枠片の端部と端部の幅が比較的狭い樹脂により内包された繊維シートの枠片の端部にある枠片同士の重ね代部分とが対向している。
【００８１】
これにより、樹脂により内包された繊維シートの枠片を重ねて加熱加圧した場合の樹脂により内包された繊維シートの枠片の変形が１方向の単純な変形となることと、セパレータの凹部を環状に配置された樹脂により内包された繊維シートの枠片によって覆われる位置に設置することができる。
【００８２】
ところで、カソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂおよびアノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄの接合前の厚みは特に規定されるのものではない。
【００８３】
しかしながら、図３より、所定の温度、所定の加重で加熱加圧接合する工程においてＭ
ＥＡ１７の燃料ガス側ガス拡散層１３ａおよび酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂが圧縮されたＭＥＡ１７の電極層１５の厚みよりも、カソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂおよびアノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄが軟化して樹脂が染み出た後の厚みのほうが厚くならないことと、加圧して必ずセパレータと接触し、良好な接合面が得られることが重要である。
【００８４】
本実施の形態では１５０μｍとしたが、ガラス繊維径やその編み方、含有する樹脂量は任意で設計が可能である。
【００８５】
セパレータ凹部の寸法は、積層時の公差や枠片の公差を考慮し、図６、図８の接合前のカソードセパレータ５のカソードセパレータ導入部側凹部３ａとカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａの重ね代部分２の関係のように、重ね代部分２を平面的に見た面積よりも少し大きい面積に設定することが望ましい。
【００８６】
本実施の形態では、重ね代部分２の寸法を片側０．３ｍｍオフセットして大きくした。またその深さ寸法については、図３において、カソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂおよびアノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄが凹部と対向しない部分の厚み寸法の半分以下とし、重なり部にて加熱加圧時にあて止らない寸法とする。
【００８７】
また、凹部が対向して配置された場合に生じる加圧工程時のカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ，１ｂおよびアノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃ，１ｄの大変形により高分子電解質膜１６が変形に耐えられず破れるなどの不良を回避するため、相対するカソードセパレータ５のカソードセパレータ導入部側凹部３ａ，カソードセパレータ排出部側凹部３ｂとアノードセパレータ４のアノードセパレータ導入部側凹部３ｃ、アノードセパレータ排出部側凹部３ｄは、対向しないように設置する。
【００８８】
これにより、図５に示すように、図６、図８のカソードセパレータ導入部側凹部３ａとカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａの重ね代部分２との隙間を、カソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａを加熱加圧して染み出た樹脂２０により埋める効果がある。
【００８９】
本実施の形態では、凹部の深さ寸法を１００μｍとし、外部リークを防止する優れたガスシール性が得られた。
【００９０】
ここで、前記樹脂により内包されたカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａの重ね代部分２とカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｂの重なり部については、繊維と樹脂または樹脂同士でもよく、この重なり部により増えた体積を逃がすための凹部を当接するアノードセパレータ４、カソードセパレータ５に設けることで、加熱加圧時に過剰に染み出した樹脂が電極層１５やセパレータの流路への流れ込むことや、重なり部を潰しきれずにセパレータに局所応力がかかることを防止できる。
【００９１】
また、大判シートやロールから打ち抜いて作られるカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａの重ね代部分２とカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｂの重なり部については、樹脂により内包された繊維シート同士となるが、この場合でも同様の効果が得られる。
【００９２】
以下、燃料電池セル１００の製造方法を説明する。
【００９３】
まず、酸化剤ガス電極面流路面を上にしてカソードセパレータ５を置き、その上にカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａの重ね代部分２を、図１０のカソードセパレータ５のカソードセパレータ導入部側凹部３ａに収まるように、図２では酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂに隠れて見えていないがカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｂの重ね代部分２はカソードセパレータ５のカソードセパレータ排出部側凹部３ｂに収まるように置くと、図９の本発明の実施の形態にかかる燃料電池の枠片の重なり部の拡大斜視図のようになる。
【００９４】
次に、重ねたカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ、１ｂの内側に、酸化剤ガス側ガス拡散層１３ｂ、その上にアノード側触媒層１４ａ、カソード側触媒層１４ｂが塗られた高分子電解質膜１６、燃料ガス側ガス拡散層１３ａの順に重ねて置くが、すでに、ＭＥＡ１７として完成している場合は、重ねたカソードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ａ、１ｂの上にＭＥＡ１７を置く。
【００９５】
次に燃料ガス側ガス拡散層１３ａの外側に、アノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｃの重ね代部分２を、図１１のアノードセパレータ４のアノードセパレータ導入部側凹部３ｃ、アノードセパレータ側の樹脂により内包された繊維シートの枠片１ｄの重ね代部分２を、図１１のアノードセパレータ４のアノードセパレータ排出部側凹部３ｄに収めるように配置する。
【００９６】
最後にアノードセパレータ４の酸化剤ガス流路面を下にして重ね、加熱加圧前の仮組み状態のセルとする。このとき、相対するアノードセパレータ４のアノードセパレータ導入部側凹部３ｃ、アノードセパレータ排出部側凹部３ｄとカソードセパレータ５のカソードセパレータ導入部側凹部３ａ，カソードセパレータ排出部側凹部３ｂは、対向しないように設置する。
【００９７】
上記１つあるいは複数の仮組み状態のセルを直列または並列に常温のホットプレス上に配置し、加重１ＭＰａでプレスし、温度を１３０℃まで昇温し２０分〜３０分保持することで枠片を軟化させる。
【００９８】
その後、加重を２ＭＰａ、温度を１６０℃まで上げ、枠片内の樹脂を染み出させて隙間を埋め５０分以上保持して硬化させる。ここで示す温度、加重プロファイルは、一例であることはいうまでもない。また、このプレス工程は減圧雰囲気中でもよい。
【００９９】
また、詳しく図では説明しないが燃料電池の形態としてセルとして一体に接合されるＭＥＡ１７は１枚に限るものではなく、複数のＭＥＡ１７を、表裏に燃料ガス経路、酸化剤ガス経路を形成したアノード・カソードセパレータを用いて一体に接合しても良い。本実施の形態は、上記あらゆる形態のセルにおいても適用が可能である。
【０１００】
燃料電池およびその製造方法は、燃料電池およびその製造方法によれば、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれについて外部リークを防止する優れたガスシール性と膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータが、高分子電解質膜の周縁部に設けられる絶縁繊維シートの枠片により構成する環状の枠体により、優れた電気絶縁性を安価な製造方法で得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上のように、本発明にかかる燃料電池およびその製造方法によれば、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれについて外部リークを防止する優れたガスシール性と、優れた電気絶縁性を兼ね備えた燃料電池とその燃料電池の製造方法を提供できる。
【０１０２】
すなわち燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができるとともに、製造プロセスの簡素化をすることができるため、コージェネレーションシステムや電気自動車などに用いられる燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１０３】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  枠片
２  重ね代部分
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  凹部
４  アノードセパレータ
５  カソードセパレータ
６ａ  燃料ガスマニホールド導入部
６ｂ  燃料ガスマニホールド排出部
７ａ  酸化剤ガスマニホールド導入部
７ｂ  酸化剤ガスマニホールド排出部
９  酸化剤ガス電極面流路
１０  燃料ガス接続経路
１１  酸化剤ガス接続経路
１２  燃料ガス接続経路
１３ａ  燃料ガス側ガス拡散層
１３ｂ  酸化剤ガス側ガス拡散層
１４ａ  アノード側触媒層
１４ｂ  カソード側触媒層
１５  電極層
１６  高分子電解質膜
１７  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１８ａ  冷却水マニホールド導入部
１８ｂ  冷却水マニホールド排出部
２０  樹脂
１００  燃料電池セル
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図９】
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