(57)【要約】【課題】燃料電池の組み付け性および／または分解性を向上する。【解決手段】電池ユニットが積層された構成の燃料電池において、電池ユニットは、セパレータと、セパレータ上の第１の領域に配置され、電解質膜と２つの電極層を含む積層構造と、シール部材と、を備える。シール部材は、セパレータにおける第１の領域を囲む第２の領域に接着していると共に積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、端部シール部上に形成され第２のセパレータと接触するリブと、端部シール部上に形成され、リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
前記電池ユニットは、
セパレータと、
前記セパレータ上の第１の領域に配置され、電解質膜と２つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第１の領域を囲む第２の領域に接着していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記シール用リブは、前記積層構造を囲むように配置され、
前記凸状部は、前記シール用リブの外側に配置されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記凸状部の積層方向の高さは、前記シール用リブの積層方向の高さより低い、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記端部シール部と前記第２の領域とが、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるずれが生じない結合力で接着されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層を挟んで配置されるガス拡散層を含む、燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層と前記拡散層とを挟んで配置される多孔体を含む、燃料電池。
【請求項７】
複数個積層されることにより燃料電池を構成する電池ユニットであって、
セパレータと、
前記セパレータ上の第１の領域に配置され、電解質膜と２つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第１の領域を囲む第２の領域に接していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および、電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（燃料極と酸素極）にそれぞれ反応ガス（水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス）を供給して電気化学反応を行うことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を含む積層体とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。
【０００３】
ところで、上記スタック構造の燃料電池として、膜電極接合体の端部にシール部材を接合する技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、セパレータとガス拡散層とシール部材とを一体成形する技術が知られている（例えば、特許文献２）。これらの技術では、このシール部材により、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体の混合や、外部への漏洩を抑制している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５７８６７号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ０２／００１６５８号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５４２３号公報
【特許文献４】特開２００７−８７８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、燃料電池スタックの組み付け性や分解性が十分に容易であるとは言えなかった。例えば、組み付けの際には、膜電極接合体の端部にシール部材を一体成形する技術では、セパレータと、膜電極接合体を交互に積層する必要があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スタック構造の燃料電池の組み付け性および／または分解性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
前記電池ユニットは、
セパレータと、
前記セパレータ上の第１の領域に配置され、電解質膜と２つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第１の領域を囲む第２の領域に接着していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、燃料電池。
こうすれば、セパレータとシール部材と積層構造とが一体となった電池ユニットを積層することにより燃料電池を構成できるので、燃料電池の組み付け性を向上することができる。また、凸状部を配置することにより、電池ユニット間の短絡を抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］請求項１に記載の燃料電池において、
前記シール用リブは、前記積層構造を囲むように配置され、
前記凸状部は、前記シール用リブの外側に配置されている、燃料電池。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、
前記凸状部の積層方向の高さは、前記シール用リブの積層方向の高さより低い、燃料電池。
こうすれば、凸状部がシール用リブのシール性を妨げることを抑制できる。
【００１１】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記端部シール部と前記第２の領域とが、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるずれが生じない結合力で接着されている、燃料電池。
こうすれば、シール性の確保のために必要な燃料電池を積層方向に締結する締結力を低減することができる。
【００１２】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層を挟んで配置されるガス拡散層を含む、燃料電池。
こうすれば、ガス拡散層を電池ユニットに一体化できるので、より組み付け性が向上する。
【００１３】
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層と前記拡散層とを挟んで配置される多孔体を含む、燃料電池。
こうすれば、多孔体を電池ユニットに一体化できるので、より組み付け性が向上する。
【００１４】
さらに、本発明は、様々な他の態様で実現することができる。例えば、本発明は、上記燃料電池を搭載した車両、上記燃料電池を動力源として移動する移動体などの装置発明、電池ユニットの製造方法、積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池の製造方法などの方法発明として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】
【００１５】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池１００は、電池ユニット２００が複数個積層された構造を有している。燃料電池１００は、電池ユニット２００を所定枚数積層し、積層された電池ユニット２００を積層方向に所定の締結力を負荷するように締結することにより、製造される。
【００１６】
燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
【００１７】
図２は、電池ユニット２００の正面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す図である。電池ユニット２００は、セパレータ６００と、積層構造８００と、シール部材７００を含む。
【００１８】
積層構造８００は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）８１０と、ＭＥＡ８１０のアノード側の面に接して配置されたアノード側拡散層８２０と、ＭＥＡ８１０のカソード側の面に接して配置されたカソード側拡散層８３０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０と、から構成されている。アノード側多孔体８４０は、ＭＥＡ８１０のアノード側にアノード側拡散層８２０を挟んで配置され、カソード側多孔体８５０は、ＭＥＡ８１０のカソード側にカソード側拡散層８３０を挟んで配置されている。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００に接触している。アノード側多孔体８４０は、複数の電池ユニット２００を積層して燃料電池１００を構成した際に、他の電池ユニット２００のセパレータ６００のアノードプレート３００側の面に接触する。
【００１９】
ＭＥＡ８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有する電解質膜と、その両側の表面に塗布された電極層（アノードおよびカソード）とから構成されている。電極層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含む触媒層である。
【００２０】
アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
【００２１】
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、上述したアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。
【００２２】
セパレータ６００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００から構成されている。
【００２３】
図４は、カソードプレート４００の形状を示す図である。カソードプレート４００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、電池ユニット２００において、上述した積層構造８００が配置される領域（以下、発電領域ＤＡという。）である。カソードプレート４００上において、発電領域ＤＡの全周を囲む領域ＲＡは、シール部材７００が接着される領域（以下、シール領域ＲＡという。）である。図４において、シール領域ＲＡは、ハッチングで示されている。
【００２４】
カソードプレート４００は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、６個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、発電領域ＤＡの端部（図４における上端部）に配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、発電領域ＤＡの端部（図４における下端部）に、並んで配置されている。
【００２５】
図５は、アノードプレート３００の形状を示す図である。図４と同様に、図５において、アノードプレート３００の中央部には、電池ユニット２００において、上述した積層構造８００が配置される発電領域ＤＡが図示されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、６個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０と、燃料ガス排出スリット３５４と、を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの端部（図５における下端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。燃料ガス排出スリット３５４は、発電領域ＤＡの端部（図５における上端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス供給スリット４４０と重ならないように配置されている。
【００２６】
図６は、中間プレート５００の形状を示す図である。中間プレート５００は、上述の各プレート３００、４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための４つのマニホールド形成部５２２〜５２８と、供給流路形成部５４２、５４６および排出流路形成部５４４、５４８を備えている。中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２８は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
【００２７】
各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図６における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。冷却媒体流路形成部５５０は、図６における上下方向に、所定間隔をあけて並設されている。
【００２８】
反応ガスの供給流路形成部５４２、５４６と排出流路形成部５４４、５４８は、それぞれ対応するマニホールド形成部５２２〜５２８と一端が連通している。これらの流路形成部５４２〜５４８の他端は、３つのプレートを接合した際に、それぞれ対応するガス供給／排出スリット３５０、３５４、４４０、４４４と連通する。
【００２９】
図７は、セパレータ６００の正面図である。セパレータ６００は、上述したアノードプレート３００およびカソードプレート４００を、中間プレート５００を挟持するように中間プレート５００の両側にそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図７においてハッチングで示す貫通部である６つのマニホールド１１０〜１６０と、酸化ガス供給流路６５０と、酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス供給流路６３０と、燃料ガス排出流路６４０と、冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が作製される。
【００３０】
図２および図３に示すように、上述したセパレータ６００のカソードプレート４００側の面におけるシール領域ＲＡにシール部材７００が配置されている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーなどの弾性材料により形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【００３１】
シール部材７００は、支持部７１０と、シール用リブ７２０と、短絡抑制リブ７３０を備えている。シール用リブ７２０および短絡抑制リブ７３０は、支持部７１０の上部に形成されている。
【００３２】
シール部材７００の支持部７１０は、上述したシール領域ＲＡの全体に接触している。支持部７１０とカソードプレート４００の面との接触面ＳＵ（図２：太線）は、所定の結合力で接着されている。
【００３３】
ここで所定の結合力は、電池ユニット２００が積層方向に締結されていない状態、すなわち、積層方向の負荷がかけられていない状態における結合力である。所定の結合力は、図２において矢印で示すように燃料電池の運転中に想定される流体の圧力がシール部材７００に負荷された場合に、シール部材７００がカソードプレート４００の面に対して、接触面ＳＵに沿った方向にずれない結合力である。燃料電池の運転中に想定される流体の圧力としては、マニホールド１１０〜１６０内における燃料ガス圧、酸化ガス圧、冷却媒体の圧力、および、カソード側拡散層８３０およびカソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスの圧力、アノード側拡散層８２０およびアノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスの圧力がある。
【００３４】
所定の結合力は、想定される最大の流体の圧力を基準に決定されることが好ましい。例えば、燃料電池が高負荷で運転されているときほど、酸化ガス、燃料ガス、冷却媒体ともに圧力が大きくなる。また、流体が流動すると、圧力損失が発生するので、流動経路の上流側（入口側）のほうが、下流側（出口側）より圧力が高い。また、酸化ガスに空気を使用する場合は、電気化学反応に用いられる酸素は空気内に約２０％しか含まれていないことから、十分な酸素をカソードに供給するために酸化ガスを高圧で供給する場合が多い。さらに、酸化ガスの流れを利用して生成水を外部に排出しようとする場合にも、効率良く生成水を排出するために酸化ガスを高圧で供給する場合が多い。したがって、かかる場合には、高負荷運転時における酸化ガスの流動経路の上流側（酸化ガス供給マニホールド１１０近傍）の圧力を基準として、かかる圧力に対してずれが生じないように接触面ＳＵの結合力が決定される。
【００３５】
具体的には、接触面ＳＵの結合力は、シールラインの単位長さあたり０．０１Ｎ／ｍｍ（ニュートン毎ミリメートル）以上であることが好ましく、０．６Ｎ／ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
【００３６】
支持部７１０は、符号ＢＢで示すように、積層構造８００の端部に含浸して一体化されている。これにより、積層構造８００の端部において、ＭＥＡ８１０のカソード側からアノード側への、あるいは、アノード側からカソード側への反応ガスの漏洩が抑制される。
【００３７】
シール用リブ７２０は、図２に示すように、積層構造８００、各マニホールド１１０〜１６０を、それぞれ囲むように形成されている。シール用リブ７２０は、電池ユニット２００が積層され燃料電池１００を構成する際に、積層方向の締結力により、他の電池ユニット２００のセパレータ６００のアノードプレート３００と気密に接触する。
【００３８】
以上の説明から解るように、シール部材７００は、電池ユニット２００が積層され燃料電池１００を構成する際、その電池ユニット２００のセパレータ６００との間を支持部７１０の接触面ＳＵによってシールすると共に、隣接する電池ユニット２００のセパレータ６００との間をシール用リブ７２０によってシールする。これにより、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体の混合や外部への漏洩を抑制している。
【００３９】
短絡抑制リブ７３０は、支持部７１０の外周縁に沿って設けられている。短絡抑制リブ７３０は、シール用リブ７２０の外側に設けられている。短絡抑制リブ７３０は、各マニホールド１１０〜１６０の近傍では、マニホールドを囲むシール用リブ７２０のうちの外周縁に沿った部分に沿って設けられている。
【００４０】
短絡抑制リブ７３０の積層方向の高さは、シール用リブ７２０より低くされている。これにより、設計どおりに精度良く組み付けられ、各セパレータ６００が互いに平行に保たれている場合、短絡抑制リブ７３０は上方の電池ユニット２００のアノードプレート３００と接触していない。短絡抑制リブ７３０は、シール用リブ７２０とアノードプレート３００との間の接触圧より低い圧力で、アノードプレート３００と接触していても良い。
【００４１】
図８は、燃料電池の酸化ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図８においては、２つの電池ユニット２００が積層された様子を図示している。図８は、図７におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面を示している。
【００４２】
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給される。
【００４３】
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図８において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス供給流路６５０を通って、カソード側多孔体８５０に供給される。酸化ガス供給流路６５０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの供給流路形成部５４２（図６）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス供給スリット４４０（図４）によって形成される。カソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図２における上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出流路６６０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。酸化ガス排出流路６６０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの排出流路形成部５４４（図６）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス排出スリット４４４（図４）によって形成される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、カソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【００４４】
図９は、燃料電池の燃料ガスの流れを示す説明図である。図９上段は、図７における破線Ｃ−Ｃに対応する断面を示し、図９下段は、図７における破線Ｄ−Ｄに対応する断面を示している。燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図９下段において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス供給流路６３０を通って、アノード側多孔体８４０に供給される。燃料ガス供給流路６３０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの供給流路形成部５４６（図６）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス供給スリット３５０（図５）によって形成される。アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図２における下方から上方に流動する。そして、燃料ガスは、燃料ガス排出流路６４０を通って、燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。燃料ガス排出流路６４０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの排出流路形成部５４８（図６）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス排出スリット３５４（図５）によって形成される。アノード側多孔体８４０を流動する酸化ガスの一部は、アノード側多孔体８４０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、アノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
【００４５】
冷却媒体供給マニホールド１５０に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１５０から冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０は、図７に示すように、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０（図６）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
【００４６】
・電池ユニット２００の製造方法：
図１０は、第１実施例における電池ユニットの製造を説明するための図である。一体化成型用の成形型は、上型９１０と下型９２０を有している。下型９２０には、セパレータ６００を配置したときに、セパレータ６００の各マニホールド１１０〜１６０に嵌り込む突状部ＰＪが形成されている。上型９１０には、下型９２０の突状部ＰＪの上方に成形材料の投入口ＳＨが形成されている。
【００４７】
製造工程において、セパレータ６００は、アノードプレート３００側を下方に、カソードプレート４００側を上方にして、下型９２０に配置される。下型９２０に配置されたセパレータ６００上にカソード側多孔体８５０が配置される。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における発電領域ＤＡに配置される。
【００４８】
配置されたカソード側多孔体８５０に重ねて、ＭＥＧＡ８６０、アノード側多孔体８４０が、順次に配置される。ＭＥＧＡ８６０は、上述したＭＥＡ８１０の両面にアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０を予めホットプレスによって接着して一体化したものである。
【００４９】
こうして、セパレータ６００の発電領域ＤＡに、積層構造８００が全て配置されると、所定の型圧で型締めし、射出成形が行われる。図１０（ｂ）は、下型９２０と上型９１０とが型締めされた状態が示されている。型締めされた状態において、カソードプレート４００上のシール領域ＲＡの上方には、シール部材７００の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図１０（ｂ）に示すように、カソードプレート４００の表面と、下型９２０および上型９１０の内壁面と、積層構造８００（アノード側多孔体８４０とＭＥＧＡ８６０とカソード側多孔体８５０）の端部とによって区画される。この空間ＳＰにおいて射出成形が行われる。具体的には、シール部材７００の成形材料としての液状ゴムが上述した投入口ＳＨから空間ＳＰに投入された後、加硫工程が行われる。
【００５０】
この射出成形において、成形材料が積層構造８００の端部に含浸する（図２および図３の領域ＢＢ）ことにより、積層構造８００とシール部材７００が一体化するように、成形材料の投入圧力が制御される。また、成形材料にシランカップリング剤を添加することにより、シール部材７００とセパレータ６００の接触面ＳＵ（図３）の結合力が確保される。射出成形後、型開きして電池ユニット２００が得られる。
【００５１】
以上説明した本実施例によれば、シール部材７００とセパレータ６００と積層構造８００とが一体となった電池ユニット２００を作製し、電池ユニット２００を積層・締結することにより、燃料電池１００を製造するので、燃料電池１００の組み付け性が向上するとともに、製造工程の削減を図ることができる。
【００５２】
さらに、本実施例では、シール部材７００に短絡抑制リブ７３０が設けられているので、互いに隣り合う電池ユニット２００の各セパレータ６００が短絡することを抑制することができる。この結果、短絡による燃料電池の発電能力の低下を抑制することができる。
【００５３】
図１１は、比較例における燃料電池を示す図である。比較例の燃料電池は、シール部材７００ａに短絡抑制リブが無い点で、第１実施例における燃料電池と異なっている。その他の構成は、第１実施例と同一である。なお、図示の便宜上、冷却媒体排出マニホールド１６０内の先は省略されている。比較例おける燃料電池では、電池ユニット２００ａの一部が積層方向と垂直な方向（面方向）にずれた場合に、互いに隣り合う電池ユニット２００の各セパレータ６００の端部が短絡するおそれがある。特に、各マニホールドと外周端との間は、燃料電池スタックの小型化の観点から細いことが好ましい。しかしながら、この部分が細いと、剛性不足のため図１１に示すようにセパレータ６００の折れが生じやすく、その結果、セパレータ６００間の短絡が生じやすい。
【００５４】
図１２は、第１実施例において電池ユニットのズレが発生した様子を示す図である。第１実施例における燃料電池１００において、電池ユニット２００の一部が面方向にずれた場合、比較例と同様にセパレータ６００の折れが発生するが、一の電池ユニット２００の短絡抑制リブ７３０に、その上に積層された他の電池ユニット２００のセパレータ６００が接触することにより、セパレータ６００の折れ量が抑制される。この結果、上述したように、セパレータ６００間の短絡が抑制される。
【００５５】
さらに、シール部材７００は、剛性の高いセパレータ６００に面接触してその形状を支持されているので、積層・締結時などにおけるシール部材７００の変形が抑制され、精度の良い組み付けが実現される。
【００５６】
さらに、燃料電池１００の積層方向の締結力を低減することができる。この結果、燃料電池１００を積層方向に締結する締結部材の小型化、セパレータ６００の薄肉化、および燃料電池１００の超寿命化が実現される。すなわち、シール部材７００とセパレータ６００の接触面ＳＵは、上述したように、積層方向に力を負荷されていない状態で、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力に耐えられる結合力を有している。したがって、燃料電池１００の積層方向の締結力は、シール部材７００のずれの抑制を考慮することなく、リブ７２０とセパレータ６００間におけるシール性を確保することさえ考慮して決定されれば良い。この結果、燃料電池１００の積層方向の締結力を大幅に低減することができる。
【００５７】
Ｂ．第２実施例：
図１３は、第２実施例における燃料電池の構成を示す図である。上述した第１実施例における燃料電池のシール部材７００は、発電領域ＤＡおよび各マニホールドを囲むシール用リブ７２０の外側に短絡抑制リブ７３０を備えているが、第２実施例における燃料電池のシール部材７００ｂは、マニホールドを囲むシール用リブ７２０ｂの内側に短絡抑制リブ７３０ｂを備えている。その他の構成は、第１実施例における燃料電池と同一である。
【００５８】
第２実施例の短絡抑制リブ７３０ｂは、第１実施例における短絡抑制リブ７３０と同様に、互いに隣接するセパレータ６００間の短絡を抑制することができる。
【００５９】
Ｃ．第３実施例：
図１４は、第３実施例における燃料電池の構成を示す図である。上述した第１実施例における燃料電池のシール部材７００に設けられている短絡抑制リブ７３０に代えて、複数の短絡抑制突起７３０ｃが設けられている。短絡抑制突起７３０ｃは、積層方向から見て矩形形状を有している。短絡抑制突起７３０ｃは、シール用リブ７２０に沿って、等間隔で並んでいる。
【００６０】
上述した第１実施例における燃料電池のシール部材７００では、短絡抑制リブ７３０が支持部７１０の外周縁の全周に亘って設けられているが、第３実施例における燃料電池のシール部材７００ｃでは、支持部７１０の外周縁のうち、内側にマニホールド１１０〜１６０が配置されている部分に、短絡抑制突起７３０ｃが設けられている。このように、短絡抑制リブは、必要に応じて、シール用リブ７２０の内側または外側の一部分に設けられていても良い。
【００６１】
Ｄ．変形例：
・第１変形例：
上記第３実施例における短絡抑制突起７３０ｃの積層方向から見た形状は、長方形であるが、これに変えて、円形であっても良いし、正方形であっても良いし、３角形、５角形などの他の多角形であっても良い。
【００６２】
・第２変形例：
上記実施例では、シール部材７００にシランカップリング剤を添加することにより、シール部材７００とセパレータ６００との接触面ＳＵ（図５）の結合力を確保しているが、かかる接触面における結合力は、他の様々な手法によって確保しても良い。例えば、分子間力、共有結合、水素結合などの化学結合、機械的な結合などの物理結合を利用しても良い。より具体的には、化学結合としては、実施例におけるシランカップリング剤による他、プライマー処理、エポキシ系などの各種接着剤が用いられ得る。プライマー処理や接着剤は、成形材料に添加する他、セパレータ６００側に塗布していても良い。物理結合としては、シール部材７００とセパレータ６００の接触面ＳＵを密着させて真空とすることによる吸盤効果などを用いることができる。
【００６３】
・第３変形例：
上記実施例では、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面に積層構造８００とシール部材７００を一体化した電池ユニット２００を用いているが、これに代えて、セパレータ６００のアノードプレート３００側の面に積層構造８００とシール部材７００を一体化しても良い。
【００６４】
・第４変形例：
上記実施例では、射出成形によってシール部材７００を形成しているが、これに代えて、圧縮成形によってシール部材７００を形成しても良い。例えば、成形型の空間ＳＰに固形の未加硫ゴムを充填し、成形型を型締めして加熱することにより、形状を成形することと加硫を同時に行う熱加硫圧縮成形などが用いられ得る。
【００６５】
・第５変形例：
上記各実施例では、セパレータ６００は３層の金属板を積層した構成であり、その発電領域ＤＡに対応する部分が平坦な形状であるとしているが、セパレータ６００の構成は他の任意の構成、形状とすることが可能である。具体的には、発電領域ＤＡに対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ（例えば、カーボンで作製される）を採用しても良いし、発電領域に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ（例えば、金属板をプレス成形して作製される）を採用しても良い。
【００６６】
・第６変形例：
上記実施例では、積層構造８００は、ＭＥＡ８１０、アノード側およびカソード側拡散層８２０、８３０、アノード側およびカソード側多孔体８４０、８５０から構成されているが、例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合などには、アノード側およびカソード側多孔体８４０、８５０は無くても良い。
・その他の変形例：
上記各実施例では、積層構造８００の端部は、同一の平面上に位置している、すなわち積層構造８００の端面が１つの平面によって形成されているが、必ずしもそうである必要は無い。積層構造８００を構成するＭＥＡ８１０、アノード側拡散層８２０、カソード側拡散層８３０、アノード側多孔体８４０、カソード側多孔体８５０の端面は、それぞれずれた位置にあってもよい。すなわち積層構造８００の端面が複数の面によって形成されていてもよい。
【００６７】
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】電池ユニット２００の正面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【図４】カソードプレート４００の形状を示す図である。
【図５】アノードプレート３００の形状を示す図である。
【図６】中間プレート５００の形状を示す図である。
【図７】セパレータ６００の正面図である。
【図８】燃料電池の酸化ガスの流れを示す説明図である。
【図９】燃料電池の燃料ガスの流れを示す説明図である。
【図１０】第１実施例における電池ユニットの製造を説明するための図である。
【図１１】比較例における燃料電池を示す図である。
【図１２】第１実施例において電池ユニットのズレが発生した様子を示す図である。
【図１３】第２実施例における燃料電池の構成を示す図である。
【図１４】第３実施例における燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００…燃料電池
１１０〜１６０…マニホールド
２００…電池ユニット
３００…アノードプレート
４００…カソードプレート
５００…中間プレート
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス供給流路
６４０…燃料ガス排出流路
６５０…酸化ガス供給流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００、７００ｂ、７００ｃ…シール部材
７１０、７１０ｂ、７１０ｃ…支持部
７２０、７１０ｂ、７１０ｃ…シール用リブ
７３０、７３０ｂ…短絡抑制リブ
７３０ｂ…短絡抑制リブ
７３０ｃ…短絡抑制突起
８００…積層構造
８１０…ＭＥＡ
８２０…アノード側拡散層
８２０…カソード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８４０…カソード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
９１０…上型
９２０…下型
【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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