(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜及びこの電解質膜の両側に位置するガス拡散層を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側に積層配置するセパレータとを、燃料電池構成部品として、該燃料電池構成部品相互間に、これら各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えるシール材を設けた燃料電池であって、前記セパレータは、他の燃料電池構成部品に向けて突出する凸部と該凸部に囲まれた凹部とを有し、前記シール材は、前記凹部を囲む前記凸部に対応する位置もしくは前記凹部を囲む前記凸部より内側に設け、前記各燃料電池構成部品は、前記凹部を囲む前記凸部より外側に突出する外周端部を有して、この外周端部相互間に隙間を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記各燃料電池構成部品を前記積層方向から見て多角形とし、前記隙間は、この多角形の各辺にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の前記燃料電池構成部品のうち少なくとも１つの燃料電池構成部品の外周端部を他の燃料電池構成部品の外周端部よりも外側に突出させて前記少なくとも１つの燃料電池構成部品に突出部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記突出部を設けた燃料電池構成部品は前記電解質膜であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記少なくとも１つの燃料電池構成部品の前記突出部を設けた部位以外の外周端部を、前記積層方向から見て前記他の燃料電池構成部品の外周端部と同形状としたことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータを凹凸形状を備える金属板で構成し、この金属板を２枚重ね合わせて互いに接合しセパレータ接合体としたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記２枚のセパレータ同士は溶接により接合固定されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータ接合体の外周端部は、前記２枚のセパレータの外周端部同士が接合固定された構造であることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記２枚のセパレータ相互間に複数の空間が形成され、この複数の空間のうち前記外周端部に最も近い位置に充填材を充填したことを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記シール材を、前記凹部を囲む前記凸部に対応する位置に設け、前記シール材を設けた前記凸部の外側の側面を、同凸部の内側の側面よりも、前記凸部の前記電解質膜に対向する平坦面に対してより平行に近い傾斜角度に設定したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記シール材を、前記凹部を囲む前記凸部に対応する位置であって、前記凸部における外側角部に設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記シール材を設けた前記凸部の外側の側面は、前記凸部の前記電解質膜に対向する平坦面に対して直角に設定したことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有する単位電池を複数積層したことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間に、これら各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えるシール材を設けた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。このような燃料電池として、例えば下記特許文献１には、電解質膜を備える膜・電極接合体およびセパレータからなる燃料電池構成部品相互間に、接着剤からなるシール材を設ける点が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１１６４０４号公報（段落００１４，００２２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記した従来の燃料電池のように、シール材として接着剤を使用するものでは、接着剤を硬化させる時間が必要である。また、被着部品（燃料電池構成部品）相互に接触させ、該接触を保持した状態で接着剤を硬化させる必要がある。しかしながら、従来の燃料電池では、膜・電極接合体とその両側の一対のセパレータからなる単セル（単位電池）を複数積層して燃料電池スタックを構成する製造時について考慮した燃料電池となっていなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、電解質膜と、電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを接着機能を備えたシール材を用いて積層する場合であっても、短時間で積層固定できるように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】
【０００５】
本発明は、電解質膜及びこの電解質膜の両側に位置するガス拡散層を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の両側に積層配置するセパレータとを、燃料電池構成部品として、該燃料電池構成部品相互間に、これら各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えるシール材を設けた燃料電池であって、前記セパレータは、他の燃料電池構成部品に向けて突出する凸部と該凸部に囲まれた凹部とを有し、前記シール材は、前記凹部を囲む前記凸部に対応する位置もしくは前記凹部を囲む前記凸部より内側に設け、前記各燃料電池構成部品は、前記凹部を囲む前記凸部より外側に突出する外周端部を有して、この外周端部相互間に隙間を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、積層固定前の各燃料電池構成部品を、外周端部相互間の隙間を利用して、積層固定後の各燃料電池構成部品相互の間隔より広い状態で支持し、この支持した状態で各燃料電池構成部品に対して積層方向に荷重を付与することで、互いに対向する燃料電池構成部品の一方側に設けたシール材を他方側の燃料電池構成部品に一括して接触させて硬化させることができ、電解質膜およびその両側に位置するセパレータを複数積層する場合であっても、短時間で積層作業を行うことができる燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
まず、本発明の後述する全実施形態にわたって共通するかまたは類似する部分の燃料電池である燃料電池スタック１の構成を、図１〜図３を参照して説明する。本発明の燃料電池スタック１は、固体高分子電解質型燃料電池スタックであり、例えば自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【０００９】
図１は燃料電池スタック１の斜視図、図２は、図１の燃料電池スタック１の側面図である。この燃料電池スタック１は、１Ｖ程度の起電圧を生じる単位電池である単セル３を所定数積層して構成してあり、全体としてほぼ直方体形状を呈している。後述するが、これら積層した複数の単セル３は、例えば四隅に配した締結具であるテンションロッド５をスタック内部に貫通させて締結している。
【００１０】
図３は単セル３の構造を一部示す断面図である。この単セル３は、イオン交換膜からなる電解質膜７の外周縁部を除く両主面のアノード側およびカソード側それぞれに撥水層，触媒層（図示せず）およびガス拡散層９が配された膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１に燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路１３を備えた一対のセパレータ１５とを、シール材としての接着シール剤１７により接合した構造である。接着シール剤１７は、単セル３に流れる燃料ガス，酸化剤ガスの漏洩および混合を防止する役割も持つ。
【００１１】
上記したＭＥＡ１１およびセパレータ１５により燃料電池構成部品を構成しており、前記した接着シール剤１７は、各燃料電池構成部品相互を接着するとともにシール機能を備えていることになる。
【００１２】
ＭＥＡ１１における電解質膜７は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であって湿潤状態で良好な電気伝導性を示し、外周部の全周にわたりガス拡散層９よりも外側に突出している。また、電解質膜７は厚さが数十μｍと極めて薄いため、取り扱い性を向上させるために、上記した外側への突出した部位の両側に、樹脂材料からなる補強材１８を貼り付けている。
【００１３】
そして、この補強材１８を備えるＭＥＡ１１の外周端部１１ａとセパレータ１５の外周端部１５ａとの間および、互いに隣接する単セル３における各セパレータ１５の外周端部１５ａ相互間に、隙間Ｓを設けている。
【００１４】
ガス拡散層９は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する多孔質部材によって構成される。
【００１５】
撥水層は例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラック用からなる。触媒層は、ガス拡散層９に担持されて電極を形成するか、電解質膜７の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を担持して形成する。
【００１６】
セパレータ１５は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成する。代表的な例としては、金属材料や、樹脂とカーボンとの混合材料が挙げられるが、ここでは樹脂とカーボンとの混合材料とする。
【００１７】
このセパレータ１５の両面には、凸部１５ｂおよび凸部１５ｂに囲まれた凹部１５ｃをそれぞれ有し、凹部１５ｃの最も外側の部位に前記した接着シール剤１７を配置している。なお、この接着シール剤１７を配置している凹部１５ｃは環状に形成してあり、したがって接着シール剤１７も環状となっている。また、接着シール剤１７を配置した部位よりも内側の凹部１５ｃは、燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ分流するための前記したガス流路１３や、ガス流路１３の反対面に冷却水を流すための冷却水流路１９となる。
【００１８】
燃料電池スタック１は、図１，図２に示すように、前述の単セル３を複数個積層して積層方向両端に、集電板２１およびエンドプレート２３を順次配置している。これら複数の単セル３、集電板２１およびエンドプレート２３からなる積層体を積層方向に荷重を付与して締め付け、この締め付け状態で該積層体の内部に貫通して設けた貫通孔に前記したテンションロッド５を挿通し、テンションロッド５の端部にナット２５を螺合締結する。
【００１９】
テンションロッド５は剛性を備えた材料、例えば金属材料によって形成し、単セル３同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施している。
【００２０】
集電板２１は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、エンドプレート２３は、剛性を備えた絶縁材料によって形成する。また、２枚の集電板２１にはそれぞれ出力端子２１ａを設けており、燃料電池スタック１で生じた起電力を出力端子２１ａから外部負荷に出力する。
【００２１】
上記したテンションロッド５による燃料電池スタック１の締付方法は、テンションロッド５を積層体の内部に貫通させる必要はなく、スタック外部でエンドプレート２３同士をテンションロッド５により締め付けるようにしてもよい。
【００２２】
また、上記した燃料電池スタック１の一方の端部のエンドプレート２３には、図１に示すように、燃料ガス入口２７および同出口２９、酸化剤ガス入口３１および同出口３３、冷却水（冷却媒体）入口３５および同出口３７を、それぞれ備えている。これら各入口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の単セル３への各分配流路および、各出口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の単セル３からの各集合流路を、一方の端部側のエンドプレート２３，集電板２１および複数積層した単セル３を貫通して形成する。
【００２３】
上記した各分配流路および各集合流路は、前記したセパレータ１５のアノード側およびカソード側の各ガス流路１３，１３、冷却水流路１９の各対応する流路にそれぞれ連通している。
【００２４】
上記した燃料電池スタック１において、アノード側に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒層にて水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜７を介してカソード側の触媒層へと移動する。
【００２５】
その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側のガス拡散層９には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側の触媒層において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【００２６】
上記燃料ガスと酸化剤ガスの反応熱により、燃料電池スタック１の温度も昇温するわけだが、高分子イオン交換膜の耐熱温度を上回らぬよう、燃料電池スタック１を冷却する必要があり、該冷却のために、セパレータ１５におけるガス供給面の裏面に形成した冷却水流路１９に冷却水を供給することで燃料電池スタック１の温度制御を行っている。
【００２７】
このような燃料電池スタック１の燃料電池構成部品相互間には、供給されたガスおよび冷却水が燃料電池スタック１の外部へ漏洩しない、かつ、燃料電池スタック１内にて混合しないように、シール剤である前記した接着シール剤１７を設けている。
【００２８】
なお、以下の実施形態において、正面図とは、ストレート流路における流路方向からの図とするが、流路形状やセパレータの形状及び配置方向を限定するものではない。
【００２９】
［第１の実施形態］
次に、上記したような１つの単セル３を積層して接合固定する組立装置について説明する。図４は、この組立装置の一例を一部示す正面断面図、図５は図４の組立装置の概略を示す分解斜視図である。この組立装置は、燃料電池構成部品であるＭＥＡ１１および２枚のセパレータ１５を単セル３として積層する際の土台となる下面プレート３９と、単セル３の上部側に配置する上面プレート４１とを備え、下面プレート３９上には、ＭＥＡ１１およびセパレータ１５の外周側を囲むように、その外周端部１１ａ，１５ａの近傍位置にロッド４３を立設している。ロッド４３は、図５では円柱形状としているが、角柱形状としても構わない。
【００３０】
なお、以下の説明では、セパレータ１５およびＭＥＡ１１を単に電池構成部品３８と呼ぶことがある。
【００３１】
図５では、ロッド４３を、下面プレート３９上に載置する最下部のセパレータ１５の周囲に３本設けており、ここでの３本のロッド４３は、矩形状を呈するセパレータ１５やＭＥＡ１１の周囲４辺のうち３辺に対応して設置している。
【００３２】
これら各ロッド４３の上部は上面プレート４１に設けた摺動孔４１ａに移動可能に挿入される。また、上面プレート４１の四隅には、後述する図９（ｂ）に示してあるボルト４５を挿入するボルト挿入孔４１ｂを、下面プレート３９の四隅には、ボルト４５を螺合締結するためのねじ孔３９ａを、それぞれ形成している。
【００３３】
また、ロッド４３の外周にはコイルスプリング４７を装着しており、該コイルスプリング４７の中心に挿入したロッド４３の先端（上端）は、図５に示すように圧縮されていない自然状態のコイルスプリング４７の上端から突出している
そして、図４に示すように、上記したコイルスプリング４７の中心軸方向に沿って形成されているコイル隙間４９に、部品引掛部材となる部品引掛爪５１をそれぞれ挿入配置している。ここで部品引掛爪５１は、最下部のセパレータ１５の上に順次積層する各電池構成部品３８をそれぞれ支持するために、これら各電池構成部品３８に対応して設けている。すなわち図４では、部品引掛爪５１を、最下部のセパレータ１５の上に順次積層するＭＥＡとセパレータ１５にそれぞれ対応して設けている。
【００３４】
なお、図５では、１つのコイルスプリング４７に対し部品引掛爪５１を１枚のみ示してあり、また図５のコイルスプリング４７は、図４のコイルスプリング４７に対して巻き数を多くしているが、実際には図４のコイルスプリング４７と同等のものである。
【００３５】
上記した部品引掛爪５１は、図５に示すように長方形の板材で構成されるとともに、ロッド４３を挿入する切欠部５１ａを設けている。切欠部５１ａは、長方形の短辺部側の一側部が開口し、この開口側が電池構成部品３８側に位置するよう設定している。また、この切欠部５１ａは、その幅Ｌをコイルスプリング４７の外径より狭くすることで、部品引掛爪５１を上記したコイル隙間４９にてコイルスプリング４７に保持されるようにしている。
【００３６】
このような部品引掛爪５１は、前述したように最下部のセパレータ１５の上に積層する複数の電池構成部品３８のすべてに対応して設置してあり、切欠部５１ａの開口側の先端部上に電池構成部品３８の外周端部１５ａ，１１ａを載置して電池構成部品３８を支持する。
【００３７】
上記したロッド４３，コイルスプリング４７および部品引掛爪５１により部品間距離可変制御機構を構成する。また、下面プレート３９と上面プレート４１とで、燃料電池構成部品を上下から加圧挟持して荷重を付与する荷重付与機構を構成する。
【００３８】
接着シール剤１７は、最下部のセパレータ１５における外周端部１５ａの内側（中心側）近傍の凹部１５ｃのＭＥＡ１１に対向する側に環状となるよう塗布するとともに、この凹部１５ｃに対応する位置のＭＥＡ１１（補強材１８）の上面にも同様にして環状となるよう塗布してある。
【００３９】
下面プレート３９上に載置してある、接着シール剤１７を塗布済みのセパレータ１５の上に、接着シール剤１７を塗布済みのＭＥＡ１１を積層する際に、このＭＥＡ１１を、コイルスプリング４７のコイル隙間４９に挿入してある部品引掛爪５１の先端上に載置する。同様にして、上記のＭＥＡ１１の上に積層するセパレータ１５を、コイルスプリング４７のコイル隙間４９に挿入してある上部の部品引掛爪５１の先端上に載置する。
【００４０】
ここで、図４に示すように、最下部のセパレータ１５に塗布してある接着シール剤１７の上端面と、ＭＥＡ１１の被着面（下部の補強材１８の下面）との距離Ｈが、Ｈ＞０となるように、コイルスプリング４７のばね定数および部品引掛爪５１の剛性を決定する。
【００４１】
上述したように、電池構成部品３８を複数枚積層していくため、複数枚積層後のコイルスプリング４７のコイル隙間４９は、電池構成部品３８や部品引掛爪５１の自重によって下面プレート３９近傍が圧縮されて密の傾向であり、逆に上面プレート４１近傍が疎の傾向である。このため、最もコイルスプリング４７のピッチ（コイル隙間４９）が密となる下端部で、Ｈ＞０となるようにコイルスプリング４７のばね定数および部品引掛爪５１の剛性を決定する。
【００４２】
なお、コイルスプリング４７を使わずに、各電池構成部品３８を上記した距離ＨがＨ＞０となる状態で支持する支持機構を設け、この支持機構による各電池構成部品３８間の距離を変位センサにより測定しながら可変制御をするという構造であっても構わない。
【００４３】
図６は、電解質膜７の両主面に配してあるガス拡散層９の圧縮特性について示している。ガス拡散層９は前述したように多孔質材料であり、荷重に対し圧縮性を備えている。また、ガス拡散層９はセパレータ１５と接触し電子の移動が行われるため、この接触面の接触抵抗値を低減させることで燃料電池スタック１の出力効率を向上させるこができる。接触抵抗は付与荷重に感度があり、セパレータ１５の材質や、ガス拡散層９の材質などにもよるが、０．５〜２．０ＭＰａの接触面圧となるように燃料電池スタック１に対する所定荷重Ｆ（図７）を決定する。
【００４４】
図６では、同図（ａ）のように、ガス拡散層９がセパレータ１５に接触した状態から、同図（ｂ）のように荷重ｆを付与した際に寸法ｔだけ圧縮されることを示している。なお、このとき接着シール剤１７も、セパレータ１５の凹部１５ｃに接触して潰された状態となる。
【００４５】
図７は、前記図４に示した各電池構成部品３８の組立装置へのセット状態から、上面プレート４１を用いて燃料電池スタック１に対し所定荷重Ｆを付与した状態を示す。図７における所定荷重Ｆは、図６に示した荷重ｆと、コイルスプリング４７を圧縮させるために必要な荷重ｐとの和（Ｆ＝ｆ＋ｐ）である。
【００４６】
上面プレート４１がコイルスプリング４７および電池構成部品３８（本例では最上部のセパレータ１５）を押していく過程で、接着シール剤１７とその上方に位置する被着部品（電池構成部品３８）の被着面との距離ＨがＨ＝０、すなわち接着シール剤１７とその上方に位置する被着部品とが接触した状態になり、さらにガス拡散層９が圧縮量ｔだけ潰された時点で、付与荷重がＦに到達して所定荷重付与状態となる。
【００４７】
なお、上記荷重を付与していく過程で、接着シール剤１７とガス拡散層９は、セパレータ１５に対していずれか一方が先に接触しても、また同時に接触しても構わない。
【００４８】
上記図７のように所定荷重Ｆを付与した状態で、前述したボルト４５などを用いて上面プレート４１と下面プレート３９とを締結し、オーブンなどで熱を付与し接着シール剤１７を硬化させる。接着シール剤１７が硬化したら、部品引掛爪５１が電池構成部品３８に接触しない位置まで部品引掛爪５１を後退させ、上面プレート４１と下面プレート３９との締結を解除して燃料電池スタック１の単セル３が完成する。
【００４９】
図８〜図１０は、上記した組立装置を用いた単セル３もしくは、単セル３を複数積層したモジュール体の組立方法を示している。なお、図８〜図１０は、単に組立方法を説明するための図であり、積層する電池構成部品３８の数については単セル３に対応する数とは必ずしも一致していない。
【００５０】
まず、図８（ａ）に示すように、１つの電池構成部品３８（ここではセパレータ１５）をシール剤塗布台５３上に載置し、シール剤塗布台５３の下方からシール剤塗布台５３に設けた図示しない多数の小孔を通して空気を吸引することで、セパレータ１５を吸引拘束して固定する。その後、ディスペンサ５５にて接着シール剤１７を所定位置に塗布する。
【００５１】
なお、本例ではディスペンサ５５を用いた塗布方法であるが、例えばスクリーン印刷型塗布装置を用いるなど、塗布の方法は問わない。
【００５２】
上記図８（ａ）の方法にて、モジュール化を行う電池構成部品３８の全て（ただし、最上部の電池構成部品３８を除く）に、接着シール剤１７をあらかじめ塗布しておく（シール材塗布工程）。
【００５３】
次に、図８（ｂ）に示すように、部品引掛爪５１をすべて後退位置として、切欠部５１ａの開口側の先端側を電池構成部品３８に対して接触しない離反した後退位置とした上で、下面プレート３９上の各ロッド４３に囲まれた中央部位に最下部の電池構成部品３８（セパレータ１５）を載置する。
【００５４】
その後、図８（ｃ）のように、最下部の部品引掛爪５１を前進移動させて、その部品引掛爪５１の先端上に、上記の電池構成部品３８（セパレータ１５）の上に積層する電池構成部品３８（ＭＥＡ１１）を載置する。
【００５５】
以後同様に、上記前進させた部品引掛爪５１の上部に位置する部品引掛爪５１を前進させた状態で、既に載置してある電池構成部品３８（ＭＥＡ１１）の上に積層する電池構成部品３８を、対応する部品引掛爪５１上に載置する作業を繰り返し行うことで、図９（ａ）のように所定数の電池構成部品３８の積層作業を完了する（部品積層工程）。
【００５６】
その後、図５で示したように、上面プレート４１を、その摺動孔４１ａにロッド４３を挿入させて図４と同様の状態とする。
【００５７】
この状態で図９（ｂ）に示すように、油圧プレス５７により前述の所定荷重Ｆを付与し、該所定荷重Ｆを付与した状態でボルト４５を締結する。そして、この締結状態で図１０（ａ）のようにオーブン５９に投入し、熱付与を行うことで接着シール剤１７を硬化させる（シール材硬化工程）。
【００５８】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のオーブン５９で加熱する代わりに、ホットプレス６１を用いる方法を示している。この場合には、ホットプレス６１により所定荷重Ｆを加えた状態で熱付与を行って接着シール剤１７を硬化させる。
【００５９】
本実施形態では、接着シール剤１７が硬化完了した時点で単セル３もしくは単セル３を複数積層したモジュール体が完成するが、図１０（ａ），（ｂ）のいずれの工程でも、所定荷重Ｆを開放する前に、部品引掛爪５１が電池構成部品３８に対し離反して接触しない、前記図８（ｂ）と同様な位置まで部品引掛爪５１を後退移動させる。
【００６０】
そして、部品引掛爪５１を後退移動させた状態で、図１０（ａ）の場合はさらにオーブン５９から取り出した状態で、ボルト４５を外して所定荷重Ｆを開放することで、電池構成部品３８の積層体からなる前述したモジュール体が完成する。
【００６１】
最後に、上記したモジュール体の両端部に、前記図１，図２に示した集電板２１およびエンドプレート２３を順次配置し、最後にテンションロッド５を用いて締結し、これにより単セル３もしくは、単セル３を複数積層したモジュール体を備える燃料電池スタック１が完成する。
【００６２】
ところで、昨今の燃料電池スタックの開発において、生産性の向上という課題が掲げられている。生産性を向上させる方策の一つに、燃料電池構成部品の積層時間の短縮化がある。前述したように、燃料電池構成部品間にはシール材が設けられている。このシール材全てが圧縮ガスケットであるとすると、圧縮ガスケットを含む各構成部品全てを独立して積層していかなくてはならず、莫大な時間を要してしまう。
【００６３】
そこで、上記した本実施形態のように、燃料電池スタック１中に使用するシール材に接着シール剤１７を用いることで、各燃料電池構成部品相互を一括して接合することができ、モジュール体ひいては燃料電池スタック１の製造時間を短縮化することができる。
【００６４】
以上より本実施形態によれば、電池構成部品３８の外周端部１１ａ，１５ａ相互間の隙間Ｓを利用して電池構成部品３８を引掛け支持し、この支持した状態で各電池構成部品３８に対して積層方向に荷重を付与することで、各電池構成部品３８相互間の接着シール剤１７を一括して硬化させることができ、電解質膜７を備えるＭＥＡ１１およびその両側に位置するセパレータ１５を複数積層する場合であっても、一度に接着シール剤１７を圧縮して接着固定することが可能となり、短時間で効率よく積層作業を実施することができる。
【００６５】
この際、各電池構成部品３８相互間に設定してある接着シール剤１７のすべてを同時に硬化させた状態で荷重付与を解除できるので、接着シール剤１７の未硬化部分の発生を防止してシール部の途切れ部分の発生を回避し、シール性を高めることができ、信頼性の高いモジュール体を得ることができる。
【００６６】
なお、反りを持つセパレータを矯正しながら接着シール剤を塗布し、被接着体となるＭＥＡと接触させた後に接着シール剤が未硬化の状態で矯正を開放すると、該部品間に反りに伴う浮きが生じ、その浮きにより接着シール剤に張力が発生し、接着シール剤に引き切れが発生する。しかしながら、本実施形態では、荷重を付与している時間を充分に掛けたとしても、一枚ずつ積層する方法に比べ、確実にシールできる上に、大幅に積層時間を短縮できる。
【００６７】
また、上記した各電池構成部品３８を積層方向から見て多角形とし、前記隙間Ｓを、この多角形の各辺に設け、この各隙間Ｓに対応して部品引掛爪５１を設置することで、各電池構成部品３８をより安定して支持することが可能となり、積層作業が効率化する。
【００６８】
［第２の実施形態］
図１１は、本発明の第２の実施形態を示す単セル３Ａの一部を示す断面図である。この単セル３Ａは、ＭＥＡ１１の外周端部１１ａをセパレータ１５の外周端部１５ａよりも外側に突出させて突出部１１ｂを設けている。その他の構造および単セル３Ａ（複数の単セル３Ａを積層してなるモジュール体も含む）の製造方法は、第１の実施形態と同様である。
【００６９】
このように、第２の実施形態では、複数の電池構成部品３８のうち少なくとも１つの電池構成部品３８の外周端部を他の電池構成部品３８の外周端部よりも外側に突出させた構造とすることで、部品引掛爪５１による引掛け代を突出部１１ｂを設けた分大きくとることができて電池構成部品３８がより安定化し、特に単セル３を多数積層して接合する際には、単セル３を複数有して部品重量が増大することから部品安定化のために有効である。
【００７０】
また、第２の実施形態では、ＭＥＡ１１の外周端部１１ａを他の燃料電池構成部品であるセパレータ１５の外周端部１５ａよりも外側に突出させて突出部１１ｂを設けたので、ＭＥＡ１１の両側に位置するセパレータ１５の外周端部１５ａ同士の接触を回避して、これら相互間の電気的短絡を防止することができ、燃料電池として信頼性が向上する。
【００７１】
さらに、上記第２の実施形態において、ＭＥＡ１１の突出部１１ｂは、外周部の全周にわたり設けてもよいが、部品引掛爪５１に対応する外周部の一部にのみ設け、該突出部１１ｂを設けた部位以外の外周端部１１ａを、積層方向（図１１の上下方向）から見て他の燃料電池構成部品であるセパレータ１５の外周端部１５ａと同形状となるように、つまり、ＭＥＡ１１とセパレータ１５は、積層方向から見てＭＥＡ１１の突出部１１ｂ以外は互いに重なる形状であって外形が同等となるようにすることで、ＭＥＡ１１とセパレータ１５とを積層する際の互いの位置決めを容易に行うことができ、位置決めピンなどの発電機能に不要な部位をセル面内に設けることなく、電池構成部品３８の相対位置合わせを正確に実施することが可能となる。
【００７２】
［第３の実施形態］
図１２は、本発明の第３の実施形態を示す単セル３Ｂの一部を示す断面図である。この単セル３Ｂは、第１の実施形態や第２の実施形態における樹脂とカーボンとの混合材料からなるセパレータ１５に代えて、ステンレス鋼板などからなる金属製のセパレータ６３としている。
【００７３】
この金属製のセパレータ６３は、プレス成形によって凹凸形状に形成してあり、最外周側の環状の凸部６３ａとＭＥＡ１１（補強材１８）との間に接着シール剤１７を介装している。
【００７４】
また、上記した単セル３Ｂにおけるセパレータ６３は、隣接する他の単セル３Ｂのセパレータ６３と溶接部６５により接合固定して燃料電池構成部品としてのセパレータ接合体６４としている。そして、各セパレータ６３の外周端部６３ｂ同士を、前記した溶接部６５により互いに接合固定することで、セパレータ接合体６４の外周端部６４ａとし、該外周端部６４ａとＭＥＡ１１の外周端部１１ａとの間に前記した隙間Ｓを形成している。
【００７５】
この場合、接着シール剤１７を設けた位置より内側のセパレータ接合体６４とＭＥＡ１１との間の空間がガス流路１３となる。また、互いに接合固定した２枚のセパレータ６３相互間の空間は、冷却水流路１９となる。
【００７６】
上記図１２における溶接部６５は、外周端部６４ａに沿った１本の直線状とするだけでなく、例えば図１３（ａ）の平面図で示すような２本の直線状の溶接部６５Ａとしてもよく、また図１３（ｂ）の平面図で示すようなジグザグ形状や波形状の溶接部６５Ｂとしてもよい。
【００７７】
このように、第３の実施形態は、セパレータ６３を金属とすることで、樹脂とカーボンの混合材料からなるセパレータ１５に比較して高剛性となり、前記図４，図５に示した組立装置を利用して積層する際の部品引掛爪５１による支持安定性が向上して組立作業性が向上する。
【００７８】
また、各単位セル３Ｂ相互の互いに対向するセパレータ６３同士を接合してセパレータ接合体６４としておくことで、剛性がさらに高まり、組立作業性がより向上し、またこのセパレータ６３同士の接合を溶接により行うことで、接合部位の剛性も高まり、組立作業性向上に寄与することができる。
【００７９】
さらに、上記した互いに対向するセパレータ６３同士は外周端部６３ｂが接合固定されているので、該外周端部６３ｂ同士を接合した構造の外周端部６４ａとＭＥＡ１１の外周端部１１ａとの間に隙間Ｓを形成でき、この隙間Ｓに前記図４，図５に示した組立装置の部品引掛爪５１を挿入して、外周端部６４ａを引掛けることができる。
【００８０】
［第４の実施形態］
図１４は、本発明の第４の実施形態を示す単セル３Ｃの一部を示す断面図である。この実施形態は、図１２の第３の実施形態に対し、セパレータ６３同士を互いに接合することによって形成される空間のうち最も外周端部６３ｂに近い部位、すなわち外周端部６３ｂに隣接する空間に、セパレータ６３と同材料のステンレス鋼や樹脂材料の充填材６７を充填している。
【００８１】
このように図１４の実施形態によれば、２枚のセパレータ６３相互間に複数の空間が形成され、この複数の空間のうち最も外周端部６３ｂに近い位置に、充填材６７を充填しているので、セパレータ６３同士を単に接合した図１２のセパレータ接合体６４よりも、剛性がさらに向上して組立作業性もより向上する。
【００８２】
［第５の実施形態］
図１５は、本発明の第５の実施形態を示す単セル３Ｄの一部を含む断面図である。この実施形態は、図１２の実施形態に対し、セパレータ６３のＭＥＡ１１に向けて突出する凸部６３ａの外側の側面６３ｃを、凸部６３ａの内側の側面６３ｄよりも、凸部６３ａのＭＥＡ１１に対向する平坦面６３ｅに対してより平行に近い傾斜角度となるように、傾斜が緩やかとなるよう設定している。なお、この外側の側面６３ｃの傾斜角度θは、５〜３０度程度である。
【００８３】
そして、接着シール剤１７は、上記した外側の側面６３ｃと平坦面６３ｅとの境界部位である外側角部６３ｇに設けている。なお、図１５の接着シール剤１７は、セパレータ６３上に塗布したものを圧縮された（潰された）状態として示し、ＭＥＡ１１（補強材１８）上に塗布したものを圧縮されていない（潰されていない）状態としてそれぞれ示している。
【００８４】
上記した第５の実施形態によれば、接着シール剤１７を、セパレータ６３の外周端部６３ｂ側の凸部６３ａにおける外側角部６３ｇに設けたので、接着シール剤１７より内側に形成されるガス拡散層９を備える発電エリアを広く確保できるとともに、接着シール剤１７を圧縮して潰した際に、余剰接着シール剤が発電エリア側へ移動するのを防ぎ、発電への悪影響を防止することができる。
【００８５】
また、接着シール剤１７を設けた凸部６３ａの外側の側面６３ｃを、同凸部６３ａの内側の側面６３ｄよりも、凸部６３ａのＭＥＡ１１に対向する平坦面６３ｅに対してより平行に近い角度に設定したので、部品の寸法ばらつきなどにより、接着シール剤１７の塗布位置が狙い位置よりも外周の側面６３ｃ側へとずれた場合であっても、接着シール剤１７の相手側接着面（補強材１８）との距離を近い状態に確保することができ、接着シール剤１７は相手側接着面に接触しやすい状態となり、シール性不良発生割合を低減できる。
【００８６】
［第６の実施形態］
図１６は、本発明の第６の実施形態を示す単セル３Ｅの一部を含む断面図である。この実施形態は、図１５の実施形態に対し、接着シール剤１７を設けた凸部６３ａの外側の側面６３ｃを、凸部６３ａのＭＥＡ１１に対向する平坦面６３ｅに対して直角に設定している。
【００８７】
このように第６の実施形態では、接着シール剤１７を設けた凸部６３ａの外側の側面６３ｃは、凸部６３ａのＭＥＡ１１に対向する平坦面６３ｅに対して直角に設定しているので、塗布した接着シール剤１７を圧縮して潰した場合に、側面６３ｃの外側が大きく広がり開口していることから、余剰接着シール剤をこの広がった外側方向へ容易に移動させることができ、発電エリアへの余剰接着剤の移動を確実に阻止することができ、信頼性の向上につながる。
【００８８】
なお、図１５，図１６の各実施形態においても、図１４の実施形態のように、セパレータ６３同士を互いに接合することによって形成される空間のうち最も外周端部６３ｂに近い部位、すなわち外周端部６３ｂに隣接する空間に、セパレータ６３と同材料のステンレス鋼や樹脂材料の充填材を充填してもよい。
【００８９】
逆に、図１４の実施形態において、図１５，図１６の各実施形態のような凸部６３ａの外側の側面６３ｃとしてもよく、その際、接着シール剤１７を図１５，図１６の各実施形態のように外側角部６３ｇに設けてもよい。
【００９０】
［第７の実施形態］
図１７，図１８は、本発明の第７の実施形態に係わるもので、この実施形態は、図１２に示した単セル３Ｂを４つ積層してモジュール化した例を示している。すなわち、ここではセパレータ接合体６４を５枚、ＭＥＡ１１を４枚として、これら各電池構成部品３８を接着シール剤１７を用いて一括接着し、図１８に示すようなモジュール体６９を製造している。
【００９１】
このように第７の実施形態によれば、電解質膜７を備えるＭＥＡ１１と、このＭＥＡ１１の両側に積層配置するセパレータ６３とからなる単セル３Ｂを、複数積層する構造とすれば、一括接合を行う接着層が増える分だけ、より生産性を向上させることができる。
【００９２】
なお、図１７，図１８では、図１２の単セル３Ｂについて説明したが、図３，図４の単セル３や図１４，図１５，図１６の各単セル３Ｃ，３Ｄ，３Ｅについても同様に適用できる。
【００９３】
また、特に図３，図４の単セル３については、図１７，図１８の例とは別に、予め単セル３を一つずつ個別に製造しておき、これら各単セル３それぞれを互いに一括接着して複数の単セル３からなるモジュール体を製造するようにしてもよい。
【００９４】
なお、本発明は、以上に説明した各実施形態に限ることはなく、これら各実施形態に対し、安易に想像可能な代替案についても、本発明の意図を逸脱しない範囲内にて適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明に係わる基本的な燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの側面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックにおける単セルの構造を示す断面図である。
【図４】本発明における単セルを製造する組立装置の一例を示す正面断面図である。
【図５】図４の組立装置の概略を示す分解斜視図である。
【図６】電解質膜の両主面に配してあるガス拡散層の圧縮特性を示す説明図である。
【図７】図４に示した電池構成部品の積層状態から上面プレートを用いて所定荷重を付与した状態を示す説明図である。
【図８】図４の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）はシール材塗布工程図、（ｂ），（ｃ）は部品積層工程図である。
【図９】図４の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）は部品積層工程図、（ｂ）はシール材硬化工程図である。
【図１０】図４の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）はシール材硬化工程図、（ｂ）はホットプレスを用いた場合のシール材硬化工程図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態を示す単セルの一部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態を示す単セルの一部を示す断面図である。
【図１３】図１２の単セルにおけるセパレータ相互の溶接接合部の別の形状例を示す平面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態を示す単セルの一部を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態を示す単セルの一部を含む断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態を示す単セルの一部を含む断面図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係わる、図１２の単セルを４つ積層してモジュール化した場合の完成前の積層状態を示す製造工程図である。
【図１８】図１７の完成後の積層状態を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００９６】
Ｓ  隙間
１  燃料電池スタック（燃料電池）
７  電解質膜（燃料電池構成部品）
１１  ＭＥＡ（燃料電池構成部品）
１１ａ  ＭＥＡの外周端部
１１ｂ  外周端部の突出部
１５，６３  セパレータ（燃料電池構成部品）
１５ａ，６３ｂ  セパレータの外周端部
６３ａ  セパレータの凸部
６３ｃ  凸部の外側の側面
６３ｄ  凸部の内側の側面
６３ｅ  凸部の平坦面
６３ｆ  セパレータの凹部
６３ｇ  凸部における外側角部
１７  接着シール剤（シール材）
１９  冷却水流路（セパレータ相互間の空間）
６４  セパレータ接合体（燃料電池構成部品）
６４ａ  セパレータ接合体の外周端部
６５  セパレータ相互の溶接部
６７  充填材
【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】
0005061755.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0005061755.tif 000009
【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】
0005061755.tif 000014
【図１４】
0005061755.tif 000015
【図１５】
0005061755.tif 000016
【図１６】
0005061755.tif 000017
【図１７】
0005061755.tif 000018
【図１８】
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