(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを効率よく作製するとともに、電解質膜とセパレータとの間から反応ガスが漏洩することを回避する。【解決手段】第１単位セル１４ａを構成する電解質膜２０の、カソード電極１６及びアノード電極１８から露呈した外縁部２０ａ中の被挟持部位５０ａは、第１セパレータ２４の凸部先端と第２セパレータ２６の凸部先端の間に挟まれて直接接合される。同様に、第２単位セル１４ｂを構成する電解質膜２０の外縁部２０ｂ中の被挟持部位５０ｂは、第２セパレータ２６の凸部先端と第３セパレータ２８の凸部先端の間に挟まれて直接接合される。セパレータ２４、２６、２８において、電解質膜２０と接合した部位は、親水性基を有する親水部位４２である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層されて構成される燃料電池スタックにおいて、
前記電解質膜は、前記アノード電極及び前記カソード電極に比して大面積であり、その外縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈し、
前記電解質膜の、前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈した前記外縁部が、前記セパレータの凸部の、親水性を示す親水部位に直接接合していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載のスタックにおいて、前記親水部位には、水酸基又はカルボキシル基が存在することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載のスタックにおいて、前記電解質膜は、その表面に親水性基が存在するものであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを複数個積層して燃料電池スタックを得る燃料電池スタックの製造方法において、
電解質膜の面積を、前記アノード電極及び前記カソード電極に比して大きく設定し、前記電解質・電極構造体を、該電解質膜の外縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈するように作製する工程と、
前記セパレータの少なくとも凸部に対して親水化表面処理を施すことで親水部位を形成する工程と、
前記電解質膜の、前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈した前記外縁部を、前記親水部位に直接接合する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法において、前記親水化表面処理として、紫外線照射又はプラズマ照射のいずれかを行い、前記セパレータの表面に水酸基又はカルボキシル基を設けることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の製造方法において、前記電解質膜として、その表面に親水性基が存在するものを選定することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の単位セルが積層されることで積層体として構成される燃料電池スタック及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、カソード電極及びアノード電極で電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）を挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備える。この単位セルが複数個積層されることにより、燃料電池スタックとして構成される。ここで、燃料電池スタックには、カソード電極に酸化剤ガスが供給される一方、アノード電極に燃料ガスが供給される。これらの反応ガスが外部に漏出することを防止するべく、電解質・電極構造体の外縁部にガスケットが組み込まれる。さらに、電解質・電極構造体とガスケットが接着剤を介して接合され、これによりシールがなされる。
【０００３】
また、特許文献１には、電解質膜の外縁部とセパレータをシート状両面接着剤によって接合し、これによりシールを行うことが記載されている。すなわち、この場合、電解質膜をカソード電極及びアノード電極に比して大面積とし、該電解質膜の外縁部をカソード電極及びアノード電極から露呈させる。そして、この露呈した外縁部とセパレータの間にシート状両面接着剤を介在させ、この状態で、外縁部をセパレータ同士の間に挟むようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８９０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
接着剤としては、通常、熱硬化性樹脂が採用される。しかしながら、この場合、タクトタイムが長いという不都合がある。一方、熱可塑性樹脂を接着剤として用いると、タクトタイムを短縮することが可能ではあるものの、燃料電池スタックを運転する際に軟化する懸念がある。このような事態が生じると、軟化した接着剤が反応ガス流路に侵入し、圧力損失が大きくなる原因となる。
【０００６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、タクトタイムを短縮することが可能であり、しかも、圧力損失が大きくなることを回避し得、さらに、運転の際に反応ガスが漏洩する懸念を払拭し得る燃料電池スタック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】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明は、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを備え、複数個の前記単位セルが積層されて構成される燃料電池スタックにおいて、
前記電解質膜は、前記アノード電極及び前記カソード電極に比して大面積であり、その外縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈し、
前記電解質膜の、前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈した前記外縁部が、前記セパレータの凸部の、親水性を示す親水部位に直接接合していることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明においては、電解質膜の外縁部を、接着剤を介在することなくセパレータに直接接合している。このため、接着剤を塗布する工程や、該接着剤を硬化させる工程が不要となる。この分、単位セルを得るまでのタクトタイムを短縮することができる。従って、単位セルを積層した燃料電池スタックの生産効率の向上を図ることもできる。
【０００９】
しかも、熱可塑性樹脂からなる接着剤を用いる必要がないので、燃料電池スタックを運転中に電解質膜の外縁部とセパレータとの間が軟化することが回避される。このため、軟化した接着剤が反応ガス流路に侵入することや、このことに起因して圧力損失が大きくなることがない。その上、電解質膜の外縁部とセパレータとの間から反応ガスが漏洩する懸念を払拭し得る。
【００１０】
また、本発明は、電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んだ電解質・電極構造体が１組のセパレータ間に介在される単位セルを複数個積層して燃料電池スタックを得る燃料電池スタックの製造方法において、
電解質膜の面積を、前記アノード電極及び前記カソード電極に比して大きく設定し、前記電解質・電極構造体を、該電解質膜の外縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈するように作製する工程と、
前記セパレータの少なくとも凸部に対して親水化表面処理を施すことで親水部位を形成する工程と、
前記電解質膜の、前記アノード電極及び前記カソード電極から露呈した前記外縁部を、前記親水部位に直接接合する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
このような作業を行うことにより、セパレータの親水部位に対して電解質膜の外縁部を直接接合することができる。従って、単位セルを積層した燃料電池スタックの生産効率の向上を図ることができるとともに、該燃料電池スタックを運転中に電解質膜の外縁部とセパレータとの間から反応ガスが漏洩する懸念が払拭される。
【００１２】
セパレータにおける接合部位は、親水部位である。親水部位は、例えば、親水性基が存在することで親水性を示す。この種の親水性基としては、水酸基又はカルボキシル基が例示される。なお、水酸基又はカルボキシル基を設けるには、セパレータの表面に紫外線又はプラズマのいずれかを照射すればよい。
【００１３】
さらに、電解質膜は、その表面に親水性基が存在するものが好ましい。この場合、該親水性基と、セパレータの親水部位の親水性基とが、例えば、水素結合を介して結合する。このため、セパレータと電解質膜との接合力が大きくなるので、反応ガスが漏洩することを一層有効に回避することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セパレータに設けた親水部位に、電解質膜の、アノード電極及びカソード電極から露呈した外縁部を直接接合するようにしている。このために接着剤を用いる必要がないので、燃料電池スタックを得るまでのタクトタイムが短縮される。
【００１５】
しかも、熱可塑性樹脂からなる接着剤を用いないので、燃料電池スタックの運転中、電解質膜の外縁部とセパレータとの接合部が軟化することが回避される。このため、反応ガス流路の圧力損失が大きくなることが回避されるとともに、電解質膜の外縁部とセパレータとの間から反応ガスが漏洩する懸念が払拭される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池スタックの、反応ガスの流通方向に直交する方向に沿って切断した要部断面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを構成する第１セパレータの概略正面図である。
【図３】電解質膜の外縁部とセパレータを接合するための押圧装置の要部概略斜視図である。
【図４】電解質膜の外縁部とセパレータとを接合している状態を示す要部縦断面図である。
【図５】別の形態に係る押圧装置の要部概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき、その製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池スタック１０の、酸化剤ガス及び燃料ガス（反応ガス）の流通方向に直交する方向に沿って切断した要部断面図である。この燃料電池スタック１０は、複数個のセルユニット１２が積層されて構成される。
【００１９】
１つのセルユニット１２は、第１単位セル１４ａと第２単位セル１４ｂを含む。この中の第１単位セル１４ａは、カソード電極１６とアノード電極１８とで電解質膜２０を挟んで構成される電解質・電極構造体２２と、この電解質・電極構造体２２を挟持する第１セパレータ２４、第２セパレータ２６とで構成される。一方、第２単位セル１４ｂは、第２セパレータ２６と第３セパレータ２８で電解質・電極構造体２２を挟んで構成される。すなわち、第２セパレータ２６は、第１単位セル１４ａの構成要素であり且つ第２単位セル１４ｂの構成要素でもある。
【００２０】
カソード電極１６及びアノード電極１８は、それぞれ、電解質膜２０側に臨む電極触媒層と、該電極触媒層に接合されたガス拡散層とを有する。このようなカソード電極１６及びアノード電極１８の構成は公知であることから、ここでは図示及び詳細な説明を省略する。
【００２１】
また、電解質膜２０は、プロトンを伝導可能な固体高分子（樹脂）からなる。このような樹脂としては、例えば、スルホン酸基を有するナフィオン（デュポン社の商品名）等が挙げられる。周知の通り、スルホン酸基は親水性基である。又は、炭化水素化合物からなるものであってもよい。
【００２２】
電解質膜２０は、カソード電極１６及びアノード電極１８に比して大面積に設定されている。このため、電解質膜２０の外縁部は、カソード電極１６及びアノード電極１８から露呈する。
【００２３】
図２は、第１セパレータ２４の正面図である。第１セパレータ２４の左上隅角部には、酸化剤ガスを流通させるための第１ガス入口通路３０が設けられている。一方、その対角位置である右下隅角部には、使用済の酸化剤ガスを流通させるための第１ガス出口通路３２が設けられている。同様に、右上隅角部には燃料ガスを通過させるための第２ガス入口通路３４が設けられ、その対角位置である左下隅角部には、使用済の燃料ガスを通過させるための第２ガス出口通路３６が設けられている。第１セパレータ２４には、さらに、第１ガス入口通路３０と第２ガス出口通路３６の間に冷媒入口通路３８が設けられるとともに、第２ガス入口通路３４と第１ガス出口通路３２との間に冷媒出口通路４０が設けられる。
【００２４】
なお、図２中の仮想線は、親水化表面処理が施されて電解質膜２０が接合される部位を示す。以下、この部位を「親水部位」と表記し、その参照符号を４２とする。
【００２５】
この場合、親水部位４２には親水基が存在する。親水基の代表的な具体例としては、水酸基（−ＯＨ基）やカルボキシル基（−ＣＯＯＨ基）が挙げられる。後述するように、この種の親水基は、紫外線照射やプラズマ照射によって設けられる。
【００２６】
第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８にも、第１セパレータ２４と同位置に第１ガス入口通路３０、第１ガス出口通路３２、第２ガス入口通路３４、第２ガス出口通路３６、冷媒入口通路３８及び冷媒出口通路４０が設けられる。
【００２７】
そして、第１セパレータ２４におけるカソード電極１６に対向する面には、該カソード電極１６に酸化剤ガスを供給・排出するために山部と谷部を交互に形成した波状の第１通路形成部４４が延在している。図１に示すように、第１通路形成部４４の谷部の平坦な頂面は、カソード電極１６から離間して中空部を形成している。酸化剤ガスは、この中空部を流通する。なお、山部の平坦な頂面は、カソード電極１６に当接する。
【００２８】
第２セパレータ２６にも、山部と谷部を交互に形成した波状の第２通路形成部４６が設けられている。該第２通路形成部４６の谷部の平坦な頂面はアノード電極１８に当接し、山部の平坦な頂面は第２単位セル１４ｂのカソード電極１６に当接する。従って、山部とアノード電極１８との間、谷部と第２単位セル１４ｂのカソード電極１６との間のそれぞれに中空部が形成される。前者の中空部には燃料ガスが流通し、後者の中空部には酸化剤ガスが流通する。
【００２９】
さらに、第３セパレータ２８にも、山部と谷部を交互に形成した波状の第３通路形成部４８が設けられている。第３通路形成部４８の谷部の平坦な頂面は第２単位セル１４ｂのアノード電極１８に当接し、山部の平坦な頂面は、別のセルユニット１２を構成する第１単位セル１４ａの第１セパレータ２４の谷部の頂面に当接する。山部とアノード電極１８との間に形成される中空部には、燃料ガスが流通する。
【００３０】
その一方で、第３セパレータ２８の谷部と、第１単位セル１４ａの第１セパレータ２４の山部との間に、比較的大容積の中空部が形成される。この中空部には、冷却媒体が流通する。
【００３１】
以上の第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８はいずれも、鉄系金属材であるＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のステンレス鋼で構成されている。なお、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の素材は、他の金属材、例えば、チタン系金属等であってもよいし、カーボン材であってもよい。
【００３２】
そして、図１に示すように、第１単位セル１４ａの電解質膜２０の、カソード電極１６及びアノード電極１８から露呈した外縁部２０ａは、第１セパレータ２４の凸部先端と第２セパレータ２６の凸部先端の間、すなわち、親水部位４２、４２同士の間に挟まれる。また、第２単位セル１４ｂの電解質膜２０の、カソード電極１６及びアノード電極１８から露呈した外縁部２０ｂは、第２セパレータ２６の凸部先端と第３セパレータ２８の凸部先端の間、すなわち、親水部位４２、４２同士の間に挟まれる。
【００３３】
あるセルユニット１２において、第１単位セル１４ａの電解質膜２０の被挟持部位５０ａは、第２単位セル１４ｂの電解質膜２０の被挟持部位５０ｂに比してカソード電極１６及びアノード電極１８に近接する。これに対し、該セルユニット１２に隣接する別のセルユニット１２では、上記とは逆に、第１単位セル１４ａの電解質膜２０の被挟持部位５０ａが、第２単位セル１４ｂの電解質膜２０の被挟持部位５０ｂに比してカソード電極１６及びアノード電極１８から離間する。
【００３４】
電解質膜２０、２０の被挟持部位５０ａ、５０ｂ（外縁部２０ａ、２０ｂ）は、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の各親水部位４２に対して直接接合している。すなわち、被挟持部位５０ａ、５０ｂと、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６、第３セパレータ２８との間には接着剤等が介在していない。そして、この接合により、被挟持部位５０ａ、５０ｂ（電解質膜２０）と、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６、第３セパレータ２８における各親水部位４２との間のシールがなされる。
【００３５】
上記したように、親水部位４２には、水酸基やカルボキシル基等の親水性基が存在する。一方、電解質膜２０は、例えば、スルホン酸基等の親水性基を有する樹脂からなる。これらの親水性基同士の間には、水素結合等の化学結合が生じる。その結果として、接着剤を介在させることなく、電解質膜２０、２０の各被挟持部位５０ａ、５０ｂと、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６、第３セパレータ２８とが接合する。
【００３６】
なお、第２単位セル１４ｂの第３セパレータ２８と、別のセルユニット１２を構成する第１単位セル１４ａの第１セパレータ２４との間は、シール材５２によってシールがなされる。又は、シール材５２を用いることなく、第３セパレータ２８と第１セパレータ２４とを溶接等で直接接合するようにしてもよい。
【００３７】
次に、上記の燃料電池スタック１０の製造方法につき説明する。
【００３８】
第１セパレータ２４は、例えば、上記したようなステンレス鋼からなる金属板を打ち抜くプレス加工等により、成形品として得られる。この第１セパレータ２４に対し、親水化表面処理を施す。具体的な親水化表面処理の手法としては、紫外線照射が挙げられる。
【００３９】
本実施の形態においては、親水化表面処理により、図２に仮想線で示す所定箇所に親水性基を設ける。このためには、第１セパレータ２４に対し、親水部位４２を形成する箇所以外をマスクする。次に、この状態の第１セパレータ２４を紫外線照射装置内に導入し、紫外線を照射する。紫外線としては、極短波長の真空紫外線が好適である。
【００４０】
紫外線が照射された部位には、親水性基である水酸基やカルボキシル基等が生成する。すなわち、紫外線が照射された部位が親水部位４２となる。
【００４１】
紫外線照射に代替し、プラズマ照射を行うようにしてもよい。この照射を行うための装置は大気プラズマ装置であってもよいし、Ｏ2プラズマ装置であってもよい。この場合においても紫外線照射と同様に、プラズマが照射された部位に水酸基やカルボキシル基等が生成する。すなわち、親水部位４２が形成される。
【００４２】
第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８に対しても同様にして、親水部位４２を設ける。これにより、親水部位４２を有する第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８が得られる。
【００４３】
その一方で、電解質・電極構造体２２を作製する。すなわち、カソード電極１６及びアノード電極１８の各ガス拡散層に比して大面積となるように樹脂材を切断し、電解質膜２０を得る。必要に応じ、電解質膜２０に対して親水化表面処理を施すようにしてもよい。親水化表面処理は、上記と同様に紫外線やプラズマを照射することで行うことができる。なお、電解質膜２０が親水性基を有する高分子（例えば、ナフィオン等）である場合には、親水化表面処理を行う必要は特にないが、行っても差し支えはない。
【００４４】
次に、例えば、デカール法によって電解質膜２０の両面に電極触媒層を転写した後、前記ガス拡散層を電極触媒層に接合する。その結果、電解質膜２０の外縁部がカソード電極１６及びアノード電極１８から露呈した電解質・電極構造体２２が得られる。
【００４５】
以上のようにして得られた第１セパレータ２４、電解質・電極構造体２２、第２セパレータ２６、電解質・電極構造体２２、第３セパレータ２８を積層して積層体６０を組み立て、例えば、ベルトコンベア（図示せず）によって図３に示す押圧装置６２まで搬送する。勿論、押圧装置６２に搬送する途中で積層体６０を組み立てるようにしてもよい。この時点で、電解質膜２０の外縁部は、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６、第３セパレータ２８の親水部位４２に当接している。
【００４６】
ここで、押圧装置６２は下型６４と上型６６を有する。これら下型６４及び上型６６には、親水部位４２の裏面を押圧する押圧凸部６８、７０がそれぞれ突出形成されている。また、下型６４及び上型６６は、図示しない昇降機構の作用下に、互いに対して接近又は離間する方向に変位する。
【００４７】
積層体６０が下型６４と上型６６の間に位置すると、これら下型６４及び上型６６が互いに接近するように変位する。従って、図４に一部を拡大して示すように押圧凸部６８、７０が親水部位４２の裏面に当接し、さらに、該押圧凸部６８、７０が親水部位４２を電解質膜２０の外縁部２０ａ側に向かって押圧する。従って、親水部位４２が電解質膜２０の外縁部２０ａ（被挟持部位５０ａ）に押し当てられる。
【００４８】
第１単位セル１４ａを構成する電解質膜２０の外縁部２０ａ（被挟持部位５０ａ）が第１セパレータ２４の凸部先端と第２セパレータ２６の凸部先端で挟まれる位置と、第２単位セル１４ｂを構成する電解質膜２０の外縁部２０ｂ（被挟持部位５０ｂ）が第２セパレータ２６の凸部先端と第３セパレータ２８の凸部先端で挟まれる位置とは互いに相違する。すなわち、上記したように、第１単位セル１４ａの被挟持部位５０ａは、第２単位セル１４ｂの被挟持部位５０ｂに比してカソード電極１６及びアノード電極１８側に近接（又は、離間）している。このため、被挟持部位５０ａ、５０ｂのそれぞれを、第１セパレータ２４と第２セパレータ２６ごと、又は第２セパレータ２６と第３セパレータ２８ごと押圧することが可能である。
【００４９】
電解質膜２０の素材である樹脂は、上記したように親水性基を有している。この親水性基と、親水部位４２の親水性基とが、例えば、水素結合を介して結合する。その結果、電解質膜２０の外縁部２０ａ、２０ｂ（被挟持部位５０ａ、５０ｂ）が、常温であっても親水部位４２と接合する。これにより、セルユニット１２が得られる。
【００５０】
なお、下型６４及び上型６６を加温するようにしてもよい。被挟持部位５０ａ、５０ｂと親水部位４２を、水素結合を介して結合させる場合、下型６４及び上型６６の温度は、電解質膜２０の分解温度未満とすることが望ましい。
【００５１】
このように、本実施の形態においては、第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８に親水部位４２を設け、この親水部位４２に対して電解質膜２０の外縁部を直接接合するようにしている。従って、電解質・電極構造体２２をガスケットに組み込む必要や、電解質・電極構造体２２とガスケット又はセパレータ２４、２６、２８を、接着剤を介して接合する必要がない。この分、セルユニット１２を得るまでのタクトタイムを短縮することができる。
【００５２】
以上のようにして得られたセルユニット１２を、シール材５２を介して積層する。さらに、最外方に位置するセルユニット１２に対してエンドプレート等を積層し、押圧力を付与することにより、燃料電池スタック１０が得られるに至る。上記したようにセルユニット１２を得るタクトタイムが短縮されるので、燃料電池スタック１０の生産効率の向上を図ることができる。
【００５３】
燃料電池スタック１０を運転するに際しては、酸素を含有する酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）が第１セパレータ２４、第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の、図２に示す第１ガス入口通路３０に供給されるとともに、水素を含有する燃料ガス（例えば、水素）が第２ガス入口通路３４に供給される。さらに、冷媒入口通路３８に、純水やエチレングリコール、オイル等の適宜の冷却媒体が供給される。
【００５４】
燃料ガスは、第１単位セル１４ａのアノード電極１８と、第２セパレータ２６の第２通路形成部４６における山部との間の中空部に導入される。また、第２単位セル１４ｂのアノード電極１８と、第３セパレータ２８の第３通路形成部４８における山部との間の中空部にも導入される。各中空部に導入された燃料ガスは、図１の紙面に直交する方向に流通する。これにより、第１単位セル１４ａ及び第２単位セル１４ｂの各アノード電極１８に燃料ガスが供給される。
【００５５】
アノード電極１８では、燃料ガス中の水素が電離してプロトンが生じる反応が起こる。このプロトンは、電解質膜２０のプロトン伝導作用によってカソード電極１６に移動する。また、電子は、燃料電池スタック１０に電気的に接続された外部負荷を付勢する電気エネルギ源として利用される。
【００５６】
一方、酸化剤ガスは、第１単位セル１４ａのカソード電極１６と、第１セパレータ２４の第１通路形成部４４における谷部との間の中空部に導入される。同時に、第２単位セル１４ｂのカソード電極１６と、第２セパレータ２６の第２通路形成部４６における谷部との間の中空部にも導入される。各中空部に導入された酸化剤ガスが図１の紙面に直交する方向に流通することにより、第１単位セル１４ａ及び第２単位セル１４ｂの各カソード電極１６に燃料ガスが供給される。なお、酸化剤ガスの流通方向は、燃料ガスの流通方向と逆である。
【００５７】
カソード電極１６では、酸化剤ガス中の酸素と、電解質膜２０を移動したプロトンと、前記外部負荷を付勢してカソード電極１６に到達した電子とが反応し、水が生成する。このように、各アノード電極１８と各カソード電極１６にて電気化学反応が生起されることに伴い、燃料電池スタック１０が発電する。
【００５８】
アノード電極１８に供給された過剰の燃料ガスは、使用済ガスとして第２ガス出口通路３６から排出される。また、カソード電極１６に供給された過剰の酸化剤ガスは、使用済ガスとして第１ガス出口通路３２から排出される。
【００５９】
そして、冷却媒体は、冷媒入口通路３８から、第１単位セル１４ａの第３セパレータ２８の第３通路形成部４８における谷部と、第２単位セル１４ｂの第１セパレータ２４の第１通路形成部４４における山部とで形成される中空部に導入される。冷却媒体も、図１の紙面に直交する方向に流通して冷媒出口通路４０から排出される。この流通により、セルユニット１２が冷却される。
【００６０】
以上のようにして燃料電池スタック１０の発電が行われている間、燃料ガス及び酸化剤ガスが、電解質膜２０とセパレータ２４、２６、２８との間から漏洩することが回避される。上記したように、電解質膜２０とセパレータ２４、２６、２８とが直接接合しているからである。
【００６１】
また、熱可塑性樹脂からなる接着剤を用いていないので、発電（運転）を継続することに伴って電解質膜２０とセパレータ２４、２６、２８との間が軟化して接合力が低下することがない。従って、接着剤が反応ガス流路（中空部）に侵入することに起因して圧力損失が大きくなる懸念が払拭される。
【００６２】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６３】
例えば、電解質膜２０の外縁部と親水部位４２を接合する装置は、図５に示す押圧装置８０であってもよい。この押圧装置８０は、互いに同期して回転する下ローラ８２と上ローラ８４を有する。下ローラ８２及び上ローラ８４には、押圧凸部８６、８８がそれぞれ形成される。従って、下ローラ８２と上ローラ８４の間に積層体６０が位置すると、電解質膜２０の挟持部位が、押圧凸部８６、８８によってセパレータ２４、２６、２８ごと押圧される。その結果、第１単位セル１４ａの電解質膜２０の挟持部位が第１セパレータ２４と第２セパレータ２６の各親水部位４２に接合するとともに、第２単位セル１４ｂの電解質膜２０の挟持部位が第２セパレータ２６と第３セパレータ２８の各親水部位４２に接合する。
【００６４】
また、第１単位セル１４ａを第１セパレータ２４と第２セパレータ２６に挟んで電解質膜２０の挟持部位をセパレータ２４、２６の親水部位４２に接合した後、第２単位セル１４ｂを構成する電解質・電極構造体２２と第３セパレータ２８を積層し、さらに、第２単位セル１４ｂの電解質膜２０の挟持部位をセパレータ２６、２８の親水部位４２に接合するようにしてもよい。
【００６５】
そして、セパレータ２４、２６、２８はカーボン製であってもよい。この場合においても上記に準じて親水化表面処理を施すことにより、親水部位４２を設けることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池スタック                １２…セルユニット
１４ａ、１４ｂ…単位セル              １６…カソード電極
１８…アノード電極                    ２０…電解質膜
２０ａ、２０ｂ…外縁部                ２２…電解質・電極構造体
２４、２６、２８…セパレータ          ４２…親水部位
５０ａ、５０ｂ…被挟持部位            ６０…積層体
６２、８０…押圧装置                  ６４…下型
６６…上型                            ６８、７０、８６、８８…押圧凸部
８２…下ローラ                        ８４…上ローラ
【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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