(57)【要約】【課題】高い電池性能を発揮する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、電解質膜１２０と、電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケット１７０、１８０と、電解質膜の両面に配設されガスケットに囲まれた電極１３０、１４０と、を有する燃料電池であって、電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合するとともに電解質膜を面方向に引っ張る引張り手段１０２を、ガスケットが有することを特徴とする。【選択図】図１
2009105009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、当該電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケットと、前記電解質膜の両面に配設され前記ガスケットに囲まれた電極と、を有する燃料電池であって、
前記電解質膜の両面から前記電解質膜の周縁部に係合するとともに前記電解質膜を面方向に引っ張る引張り手段を、前記ガスケットが有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記引張り手段が、一対の前記ガスケットのうちの一方に形成され前記電解質膜の面方向に対して垂直に突出する第１突部、および他方の前記ガスケットに形成され前記電解質膜の面方向に対して垂直に突出するとともに突出方向に先細りする第２突部からなり、
前記第１突部および第２突部が、前記電解質膜の周縁部に形成された貫通孔に互い違いに通され、前記第１突部が、前記第２突部のテーパ状の側面に当接して前記電解質膜の面方向に撓むことにより、前記電解質膜を面方向に引っ張ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記引張り手段が、一対の前記ガスケットのうちの一方により前記電解質膜の面方向に対して垂直方向に摺動自在に保持される棒状部材、および他方の前記ガスケットに形成され前記棒状部材の先端部に対向する第１凹部からなり、
前記棒状部材が、前記電解質膜の周縁部を前記先端部で前記第１凹部に押し込むことにより、前記電解質膜を面方向に引っ張ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記引張り手段が、一対の前記ガスケットのうちの一方に形成され前記電解質膜に対して垂直に突出する突部、および他方の前記ガスケットに形成され前記突部に対向する第１凹部からなり、
前記突部が、前記電解質膜の周縁部を前記第１凹部に押し込むことにより、前記電解質膜を面方向に引っ張ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１凹部にエポキシ樹脂が塗布されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電解質膜の周縁部に沿って延在して前記電解質膜の周縁部を覆う第２凹部を、一対の前記ガスケットが互いに合わさって形成し、
前記第２凹部において対向している対向面の間の間隔が、前記電解質膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第２凹部と前記電解質膜との間に、ホットメルト剤が塗布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】
電解質膜と、当該電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケットと、前記電解質膜の両面に配設され前記ガスケットに囲まれた電極と、を有する燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜の周縁部に前記電解質膜の両面から前記ガスケットを係合させるとき、前記ガスケットの周縁部が凹凸嵌合し、前記電解質膜を面方向に引っ張ることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
電解質膜と、当該電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケットと、前記電解質膜の両面に配設され前記ガスケットに囲まれた電極と、を有する燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜の周縁部に前記電解質膜の両面から前記ガスケットを係合させるとき、一対の前記ガスケットの一方に設けられた第１突部と他方の前記ガスケットに設けられた第２突部とを、前記電解質膜の周縁部に形成された貫通孔に挿通し、前記第２突部のテーパ状の側面に沿って前記電解質膜の面方向に前記第１突部を撓ませ、前記電解質膜を面方向に引っ張ることを特徴とす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、燃料電池、および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる固体高分子型の燃料電池は、電解質として用いられる高分子膜（以下、電解質膜と称す）の両面に電気化学反応を進行させる触媒層を配し、さらに多孔質のガス拡散層を触媒層に重ねた膜電極接合体を有する。
【０００３】
また、燃料電池は、反応ガスの供給流路が彫り込まれたセパレータを有しており、セパレータにより上述の膜電極接合体を挟持して、反応ガスの供給流路を膜電極接合体のガス拡散層に接触させ、反応ガスをガス拡散層に接した触媒層まで均一に拡散させている。
【０００４】
セパレータの反応ガス供給流路や膜電極接合体のガス拡散層からの反応ガスのリークを防止するために、膜電極接合体から延出したシートに接合して膜電極接合体を囲む一対のガスケットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ガスケットは、膜電極接合体を囲み、膜電極接合体とともにセパレータにより挟持され、セパレータの反応ガス供給流路や膜電極接合体のガス拡散層を移動する反応ガスのリークを防止している。
【０００５】
また、ガスケットは、反応ガスのリークを防止するとともに、膜電極接合体を圧縮するセパレータを膜電極接合体の周囲で支持し、膜電極接合体においてセパレータにより圧縮されるガス拡散層を所望の厚さに保つ役割も果たしている。
【特許文献１】国際公開第２０００／０６４９９５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、膜電極接合体の周囲に延出したシートや電解質膜のような薄膜の両面にガスケットを接合する場合、薄膜に皺が生じ易く、皺が発生した場合、電解質膜の両面に接合したガスケットからガスケットまでの厚みが皺により大きくなるため、ガスケットによって囲まれているガス拡散層を、セパレータが所望の厚さに圧縮できないという問題が生ずる。
【０００７】
ガス拡散層が所望の厚さに圧縮されないと、ガス拡散層の気孔率が低下するため、反応ガスの拡散性が低下し、ガス拡散層が接する触媒層に到達する反応ガスが減少して化学反応が進行せず、電池性能の低下につながる。
【０００８】
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、電解質膜の皺の発生が抑制され、電解質膜の両面に接合したガスケットからガスケットまでの厚さの寸法精度が高く、良好な電池性能を有する燃料電池、および良好な電池性能を有する燃料電池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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケットと、電解質膜の両面に配設されガスケットに囲まれた電極と、を有する燃料電池であって、電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合するとともに電解質膜を面方向に引っ張る引張り手段を、ガスケットが有することを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するための燃料電池の製造方法は、電解質膜と、電解質膜の両面から電解質膜の周縁部に係合する一対のガスケットと、電解質膜の両面に配設されガスケットに囲まれた電極と、を有する燃料電池の製造方法であって、電解質膜の周縁部に電解質膜の両面からガスケットを係合させつつ、電解質膜を面方向に引っ張るための張力付与工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池は、ガスケットの引張り手段により電解質膜を面方向に引っ張るため、電解質膜の皺の発生が抑制される。このため、電解質膜の両面のガスケットからガスケットまでの厚さの寸法精度が高く、ガスケットにより支持されるセパレータは、電解質膜の両面でガスケットにより囲まれたガス拡散層を所望の厚さに圧縮できる。したがって、本発明の燃料電池は、ガスの拡散性が良く、良好な電池性能を有する。
【００１２】
本発明の燃料電池の製造方法は、薄い電解質膜を面方向に引っ張り、皺の発生を抑制するため、電解質膜の両面のガスケットからガスケットまでの厚さの寸法精度が向上し、ガスケットにより支持されたセパレータが、電化質膜の両面でガスケットにより囲まれたガス拡散層を所望の厚さに圧縮できる。したがって、ガスの拡散性が良く高い電池性能を発揮する燃料電池を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態において、各実施形態で共通する機能を有する部材については、類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の概略断面図、図２は第１実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図、図３は図２においてセパレータを外した状態を示す部分拡大概略断面図、図４は燃料電池の製造に用いられる積層用治具を説明するための平面図、図５は燃料電池の製造方法を説明するための斜視図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う部分拡大概略断面図、図７は第１実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【００１５】
図１において、第１実施形態の燃料電池１００について概説すれば、燃料電池１００は、電気化学反応を進行させるための燃料極１３０および空気極１４０を、イオン伝導性を有する電解質膜１２０の両面に配した膜電極接合体１１０を有する。膜電極接合体１１０は、燃料ガスが流れるアノードセパレータ１５０、および酸化剤ガスが流れるカソードセパレータ１６０により挟持され、外周がガスの漏出を防止する一対のガスケット１７０、１８０によって囲まれている。ガスケット１７０は、燃料極１３０を囲んで燃料ガスのリークを防止するもので、ガスケット１８０は、空気極１４０を囲んで酸化剤ガスのリークを防止する。以下、燃料電池１００の部材の個々について説明する。
【００１６】
図２に示すように、電気化学反応を進行させるための燃料極１３０および空気極１４０を両面に配しイオン伝導性を有する電解質膜１２０は、矩形形状の膜であり、電解質膜１２０を面方向に引っ張り、皺の発生を防止する引張り手段１０２が挿通する貫通孔１２２を、電解質膜１２０の周縁部の四隅に有する。
【００１７】
イオン伝導性を有する電解質膜１２０としては、特に限定されず、プロトン伝導性電解質からなる固体高分子電解質膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のＮａｆｉｏｎ（登録商標）やフレミオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般に市販されている固体高分子形電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。
【００１８】
電解質膜１２０の一方の面に配設された燃料極１３０は、電解質膜１２０に接し電気化学反応を生じさせる触媒層１３１と、第１セパレータ１５０を流れる燃料ガスを触媒層１３１に均一に拡散させるガス拡散層１３２とが積層した構造を有する。
【００１９】
電解膜１２０において燃料極１３０の反対の面に配設された空気極１４０は、電解質膜１２０に接し電気化学反応を生じさせる触媒層１４１、および第２セパレータ１６０を流れる酸化剤ガスを触媒層１４１に均一に拡散させるガス拡散層１４２が積層した構造を有する。
【００２０】
燃料極１３０の触媒層１３１、および空気極１４０の触媒層１４１は、触媒粒子と、触媒粒子を担持するカーボン粒子などの導電性担体と、固体高分子電解質とを含んでいる。
【００２１】
触媒粒子としては、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金等からなる群から選択される少なくとも１種が挙げられる。また、触媒粒子は、白金単独で用いてもよいが、触媒粒子の安定性や活性を高めるために白金を主成分とする合金などであってもよい。
【００２２】
触媒粒子および導電性担体の表面を被覆する固体高分子電解質としては、触媒層１３１、１４１において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。例えば、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などの固体高分子電解質が挙げられる。
【００２３】
燃料極１３０において触媒層１３１に燃料ガスを均一に拡散させるガス拡散層１３２、および空気極１４０において触媒層１４１に酸化剤ガスを均一に拡散させるガス拡散層１４２としては、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。
【００２４】
燃料極１３０に接するアノードセパレータ１５０は、板状をなし、燃料ガスが流れる燃料ガス流路１５１、および冷媒が流れる冷媒流路１５２を、両面に有する。燃料ガスは、水素を含み、冷媒は、例えば水である。
【００２５】
酸化剤ガスを流すカソードセパレータ１６０は、アノードセパレータ１５０と同様に板状をなし、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路１６１、および冷媒が流れる冷媒流路１６２を両面に有する。酸化剤ガスは、酸素を含み、冷媒は、例えば水である。
【００２６】
燃料ガスを流すアノードセパレータ１５０は、燃料ガス流路１５１が形成された面で燃料極１３０に接し、燃料極１３０のガス拡散層１３２を圧縮するとともに、燃料極１３０を囲んで燃料ガスのリークを防止する第１ガスケット１７０に当接して支持されている。
【００２７】
一方、酸化剤ガスを流すカソードセパレータ１６０は、酸化剤ガス流路１６１が形成された面で空気極１４０に接し、空気極１４０のガス拡散層１４２を圧縮するとともに、空気極１４０を囲んで酸化剤ガスのリークを防止する第２ガスケット１８０に当接して支持されている。
【００２８】
燃料極１３０を囲む第１ガスケット１７０は、アノードセパレータ１５０と当接する面１７１の外周部に、シール部材を設けるための切欠き１７２を有する。この切欠き１７２に設けられたゴムシール１７３は、切欠き１７２に沿って延在し、圧縮された状態でアノードセパレータ１５０に密着して燃料ガスのリークを防止している。
【００２９】
一方、空気極１４０を囲む第２ガスケット１８０は、カソードセパレータ１６０と当接する面１８１の外周部に、シール部材を設けるための切欠き１８２を有する。この切欠き１８２に設けられたゴムシール１８３は、切欠き１８２に沿って延在し、圧縮された状態でカソードセパレータ１６０に密着して酸化剤ガスのリークを防止している。
【００３０】
図３に示すように、膜電極接合体１１０および膜電極接合体１１０の周囲のガスケット１７０、１８０をセパレータ１５０、１６０により挟持しない状態において、第１ガスケット１７０におけるアノードセパレータ１５０との当接面１７１から突き出しているゴムシール１７３の高さＨは、アノードセパレータ１５０により圧縮されるガス拡散層１３２の厚さＳよりも小さく（Ｈ＜Ｓ）設定されている。
【００３１】
このことは、第２ガスケット１８０におけるゴムシール１８３の高さと、カソードセパレータ１６０により圧縮されるガス拡散層１４２の厚さとの関係においても同様である。
【００３２】
第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０は、電解質膜１２０の周縁部に沿って延在してその周縁部を覆う凹部１０４（第２凹部）を、互いに合わさって形成している。電解質膜１２０の周縁部を覆う凹部１０４において対向している対向面の間の間隔Ｄは、電解質膜１２０の膜厚ｔよりも大きく（ｔ＜Ｄ）、電解質膜１２０と凹部１０４との間に塗布されたホットメルト剤１２４により、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０は、電解質膜１２０に接合している。ホットメルト剤１２４は、熱可塑性の接着剤である。
【００３３】
燃料電池１００は、電解質膜１２０の周縁部に沿って延在し電解質膜１２０の周縁部を覆う凹部１０４の四隅に、電解質膜１２０を面方向に引っ張る引張り手段１０２を有する。具体的には、引張り手段１０２は、第１ガスケット１７０に形成され電解質膜１２０の面方向に対して垂直に突出する棒状の第１突部１７４、および第２ガスケット１８０に形成され電解質膜１２０の面方向に対して垂直に突出する切頭円錐状の第２突部１８４からなる。
【００３４】
第１ガスケット１７０に形成された第１突部１７４、および第２ガスケット１８０に形成された第２突部１８４は、電解質膜１２０の周縁部の四隅に形成された貫通孔１２２に互い違いに挿通されており、第１ガスケット１７０の第１突部１７４が、第２突部１８４のテーパ状の側面に当接して電解質膜１２０の面方向に撓むことにより、電解質膜１２０を電解質膜１２０の面方向に引っ張る。
【００３５】
以上のような構成を有する燃料電池１００では、以下のような電気化学的反応が進行する。アノードセパレータ１５０の燃料ガス流路１５１から燃料極１３０に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒層１３１の触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極１３０の触媒層１３１に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極１３０の触媒層１３１が接触している電解質膜１２０を通って、空気極１４０の触媒層１４１に達する。また、燃料極１３０の触媒層１３１で生成した電子は、燃料極１３０の触媒層１３１における導電性担体（導電性粒子）、燃料極１３０のガス拡散層１３２、アノードセパレータ１５０および外部回路（不図示）を通って、空気極１４０の触媒層１４１に達する。そして、空気極１４０の触媒層１４１にともに達したプロトンおよび電子は、カソードセパレータ１６０の酸化剤流路１６１から空気極１４０に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生成する。このような電気化学的反応を通して、本発明に係る燃料電池１００は、電気を外部に取り出すことが可能となる。
【００３６】
次に、燃料電池１００の製造方法を説明する。
【００３７】
図４および図５に示すように、燃料電池１００の製造に用いられる積層用治具１９０は、燃料電池１００を載置するための基台１９１、この基台１９１に垂直に突設された第１突き当て部材１９２、および基台１９１に垂直に突設された第２突き当て部材１９３を有する。
【００３８】
第１突き当て部材１９２は、基台１９１に対して垂直に形成された３つの壁である、第１壁１９２ａ、第２壁１９２ｂ、第３壁１９２ｃからなる。第２壁１９２ｂ、および第３壁１９２ｃは、第１壁１９２ａの端から第１壁１９２ａに対して垂直に延在して、互いに対向している。
【００３９】
第２突き当て部材１９３は、基台１９１に対して垂直に形成された２つの壁である、第４壁１９３ａおよび第５壁１９３ｂからなる。第４壁１９３ａおよび第５壁１９３ｂは、互いに垂直に交わっている。
【００４０】
基台１９１上において、第１突き当て部材１９２の第２壁１９２ｂと、第２突き当て部材１９３の第４壁１９３ａとは、一直線上に配置されている。また、第１突き当て部材１９２の第１壁１９２ａと、第２突き当て部材１９３の第５壁１９３ｂとは、基台１９１上において、所定の距離離隔して互いに平行に対向している。ここで、所定の距離は、平板形状を有する燃料電池１００における、長手方向の長さよりも大きい。
【００４１】
燃料電池１００の製造方法では、図６に示すように、まず、燃料ガス流路１５１を有するアノードセパレータ１５０が、燃料ガス流路１５１が形成された面を積層方向上側に向けて、積層用治具１９０の基台１９１上に載置される。このとき、基台１９１に載置されるアノードセパレータ１５０は、第１突き当て部材１９２の第１壁１９２ａおよび第２壁１９２ｂ、ならびに第２突き当て部材１９３の第４壁１９３ａに当接されて、位置決めされる。
【００４２】
その後、第１ガスケット１７０、膜電極接合体１１０、および第２ガスケット１８０を、この順序で、積層用治具１９０の第１突き当て部材１９２および第２突き当て部材１９３により位置決めしつつ、基台１９１に載置したアノードセパレータ１５０に積層する。このとき、第１ガスケット１７０の第１突部１７４、および第２ガスケット１８０の第２突部１８４は、電解質膜１２０の周縁部の四隅に形成された貫通孔１２２に互い違いに通される。
【００４３】
なお、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０は、互いに合わさったときに電解質膜１２０の周縁部を覆う凹部１０４を形成するが、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０を合わせる前に、この凹部１０４において互いに対向する平面１７５、１８５にホットメルト剤１２４が塗布される。
【００４４】
第１ガスケット１７０、膜電極接合体１１０、および第２ガスケット１８０の積層後、さらにカソードセパレータ１６０が積層され、膜電極接合体１１０、および膜電極接合体１１０の周囲に配設された一対のガスケット１７０、１８０が、アノードセパレータ１５０およびカソードセパレータ１６０により挟まれる。
【００４５】
その後、膜電極接合体１１０の電解質膜１２０を面方向に引っ張るための張力付与工程が行われる。具体的には、最後に積層したカソードセパレータ１６０に、不図示の押圧装置により積層方向から力を加え、アノードセパレータ１５０とカソードセパレータ１６０との間のガスケット１７０、１８０を押圧し、第２ガスケット１８０の第２突部１８４におけるテーパ状の側面に沿って第１ガスケット１７０の第１突部１７４を電解質膜１２０の面方向に撓ませることにより、電解質膜１２０を面方向に引っ張る。
【００４６】
張力付与工程の後、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０が互いに合わさって形成する電解質膜１２０の周縁部を覆う凹部１０４と電解質膜１２０との間のホットメルト剤１２４が、加熱溶融される。ホットメルト剤１２４の冷却硬化後、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０は、電解質膜１２０に接合する。
【００４７】
図７において第１実施形態の効果について説明する。
【００４８】
第１実施形態では、電解質膜１２０の両面から一対のガスケット１７０、１８０を電解質膜１２０の周縁部に係合させて、ガスケット１７０、１８０に形成された引張り手段１０２により、電解質膜１２０を面方向に引っ張るため、電解質膜１２０における皺の発生を抑制できる。このため、電解質膜１２０の両面の第１ガスケット１７０から第２ガスケット１８０までの厚さの寸法精度が高い。したがって、第１ガスケット１７０により支持されたアノードセパレータ１５０は、燃料極１３０のガス拡散層１３２を所望の厚さに圧縮でき、第２ガスケット１８０により支持されたカソードセパレータ１６０は、空気極１４０のガス拡散層１４２を所望の厚さに圧縮できる。よって、第１実施形態では、燃料電池１００におけるガスの拡散性が良く、燃料電池１００が良好な電池性能を有する。
【００４９】
また、第１実施形態では、電解質膜１２０の周縁部に沿って延在し電解質膜１２０の周縁部を覆う凹部１０４を、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０が互いに合わさって形成しており、この凹部１０４において対向している対向面１７５、１８５の間の間隔Ｄは、電解質膜１２０の膜厚ｔよりも大きい（ｔ＜Ｄ）。すなわち、第１ガスケット１７０および第２ガスケット１８０は、電解質膜１２０との間に隙間を設けた状態で電解質膜１２０に係合している。このため、電解質膜１２０の膜厚ｔの影響を受けず、電解質膜１２０の両面の第１ガスケット１７０から第２ガスケット１８０までの厚さの寸法精度が高い。したがって、第１ガスケット１７０により支持されたアノードセパレータ１５０は、燃料極１３０のガス拡散層１３２を所望の厚さに圧縮でき、第２ガスケット１８０により支持されたカソードセパレータ１６０は、空気極１４０のガス拡散層１４２を所望の厚さに圧縮できる。よって、第１実施形態では、燃料電池１００におけるガスの拡散性が良く、燃料電池１００が良好な電池性能を有する。
【００５０】
さらに、第１実施形態では、電解質膜１２０の周縁部を覆う上述の凹部１０４と電解質膜１２０との間にホットメルト剤１２４を塗布しているため、加熱時にホットメルト剤１２４が溶融しても、溶融したホットメルト剤１２４Ａを凹部１０４により受けることができる。このため、第１実施形態では、第１ガスケット１７０と第２ガスケット１８０との接触面１７６、１８６からの溶融したホットメルト剤１２４Ａのはみ出しを防止できる。したがって、燃料電池１００の製造時に位置合せのために当接させる積層用治具１９０の第１突き当て部材１９２や第２突き当て部材１９３へのホットメルト剤１２４Ａの付着を抑制でき、積層用治具１９０に付着したホットメルト剤による、第１セパレータ１５０、第２セパレータ１６０、第１ガスケット１７０、第２ガスケット１８０、および膜電極接合体１１０の位置ずれを防止できる。よって、第１実施形態では、第１セパレータ１５０、第２セパレータ１６０、第１ガスケット１７０、第２ガスケット１８０、および膜電極接合体１１０が、精度良く積層される。
【００５１】
＜第２実施形態＞
図８および図９は第２実施形態を説明するための図であり、図８はガスケット接合前の状態を示す燃料電池の部分拡大概略断面図、図９はガスケット接合後の状態を示す燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【００５２】
図８に示すように、第２実施形態では、電解質膜２２０を面方向に引っ張る引張り手段２０２が、第１実施形態における棒状の第１突部１７４および切頭円錐状の第２突部１８４ではなく、円筒形状の突部２８４およびこの突部に対向する凹部２７４（第１凹部）からなる。
【００５３】
突部２８４は、空気極２４０を囲む第２ガスケット２８０の四隅に形成されて電解質膜２２０に対して垂直に突出し、凹部２７４は、燃料極２３０を囲む第１ガスケット２７０に形成され第２ガスケット２８０の突部２８４に対向する。
【００５４】
図９に示すように、第２ガスケット２８０に形成された突部２８４が、電解質膜２２０の周縁部に当接して電解質膜２２０の周縁部を第１ガスケット２７０に形成された凹部２７４内に押し込むことにより、電解質膜２２０を面方向に引っ張る。このため、第２実施形態では、第１実施形態のように電解質膜２２０の周縁部に貫通孔を必要としない。
【００５５】
第２実施形態は、第１実施形態の効果に加え、前述の如く電解質膜２２０の四隅に貫通孔を形成する必要がないため、電解質膜２２０の構造を簡素化できる。
【００５６】
＜第３実施形態＞
図１０は第３実施形態を説明するための燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【００５７】
第３実施形態では、第２実施形態において第２ガスケット２８０に形成された突部２８４が、第２ガスケット３８０に摺動可能に保持されたピン３８４（棒状部材）により構成される。
【００５８】
具体的には、空気極３４０を囲む第２ガスケット３８０は、第２ガスケット３８０を厚み方向に貫通する貫通孔３８７を有し、真っ直ぐ伸びたピン３８４を貫通孔３８７に嵌合させて保持している。ピン３８４は、第２ガスケット３８０の貫通孔３８７に締まり嵌めしており、一度押し込むと、押し込まれた位置で保持される。
【００５９】
第３実施形態では、第２ガスケット３８０のピン３８４を押圧することにより、ピン３８４の先端部で電解質膜３２０の周縁部の四隅を第１ガスケット３７０の凹部３７４に押し込み、電解質膜３２０を面方向に引っ張る。
【００６０】
第３実施形態は、第１および第２実施形態の効果に加え、第３実施形態では、第２ガスケット３８０に形成された貫通孔３８７に沿ってピン３８４を摺動させることができるため、電解質膜３２０の押し込み度合いを微調整でき、電解質膜３２０の皺の伸び具合を確認しながら、電解質膜３２０を面方向に引っ張ることができる。
【００６１】
＜第４実施形態＞
図１１および図１２は第４実施形態を説明するための図であり、図１１はガスケット接合前の状態を示す燃料電池の部分拡大概略断面図、図１２はガスケット接合後の状態を示す燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【００６２】
第４実施形態では、第２実施形態における引張り手段２０２が、第２ガスケット２８０に形成された突部２８４と第１ガスケット２７０に形成された凹部２７０ではなく、電解質膜４２０の周縁部に沿って延在する互いに対向する突部４８４と溝部４７４（第１凹部）からなる。より具体的には、第４実施形態の引張り手段４０２は、第２ガスケット４８０に形成され電解質膜４２０の周縁部に沿って延在する突部４８４、および第１ガスケット４７０に形成され電解質膜４２０の周縁部に沿って延在する溝部４７４からなる。
【００６３】
第４実施形態では、第２ガスケット４８０に形成された突部４８４が、電解質膜４２０の周縁部に当接して、第１ガスケット４７０に形成された溝部４７４内に電解質膜４２０を押し込むことにより、電解質膜４２０を面方向に引っ張る。
【００６４】
また、第４実施形態では、第１ガスケット４７０および第２ガスケット４８０を電解質膜４２０の周縁部に接合させる接着剤４２４が、熱可塑性の接着剤ではなく、熱硬化性の液状接着剤４２４である。
【００６５】
液状接着剤４２４は、第１ガスケット４７０の溝部４７４内に、充填されている。熱硬化性の液状接着剤４２４は、例えばエポキシ樹脂である。
【００６６】
第２ガスケット４８０に形成された突部４８４が、電解質膜４２０の周縁部を第１ガスケット４７０の溝部４７４に押し込んだとき、溝部４７４に充填されていた液状接着剤４２４は、電解質膜４２０の周縁部を覆う凹部４０４内に溢れだして第１ガスケット４７０と第２ガスケット４８０との間を埋めてシールするが、第１ガスケットと第２ガスケットとが接触する接触面４７６、４８６の外に溢れ出さない。
【００６７】
電解質膜４２０の周縁部が、第２ガスケット４８０の突部４８４により第１ガスケット４７０の溝部４７４内に押し込まれた後、液状接着剤は、液状接着剤の硬化温度より高い温度で加熱されて硬化し、第１ガスケット４７０および第２ガスケット４８０を電解質膜４２０の周縁部に接合する。
【００６８】
第４実施形態は、第２実施形態と同様の効果を有する。
【００６９】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。例えば、第１実施形態において、第２ガスケット１８０から電解質膜１２０に対して垂直に突出する第２突部１８４の形状は、切頭円錐形状に限定されるものではなく、突出方向に向かって先細りする傾斜面を有するものであれば他の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施形態の燃料電池の概略断面図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図３】図２においてセパレータを外した状態を示す部分拡大概略断面図である。
【図４】燃料電池の製造に用いられる積層用治具を説明するための平面図である。
【図５】燃料電池の製造方法を説明するための斜視図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う部分拡大概略断面図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図８】ガスケット接合前の状態を示す第２実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図９】ガスケット接合後の状態を示す第２実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図１０】第３実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図１１】ガスケット接合前の状態を示す第４実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【図１２】ガスケット接合後の状態を示す第４実施形態の燃料電池の部分拡大概略断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００    燃料電池、
１０２    引張り手段、
１２０    電解質膜、
１２２    貫通孔、
１３０    燃料極、
１３１、１４１    触媒層、
１３２、１４２    ガス拡散層、
１４０    空気極、
１５０    アノードセパレータ、
１５１    燃料ガス流路、
１５２、１６２    冷媒流路、
１６０    カソードセパレータ、
１６１    酸化剤ガス流路、
１７０    第１ガスケット、
１７２、１８２    切欠き、
１７３、１８３    ゴムシール、
１７４    第１突部、
１８０    第２ガスケット、
１８４    第２突部。
【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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