JP2004055350A - 燃料電池のシール構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リビルド性、リサイクル性を向上させることができる燃料電池シール構造とその製造方法の提供。
【解決手段】（イ）燃料電池の積層される構成部品間をシールする燃料電池のシール構造であって、ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持する、シール材３２と、シール材を間に介層した２つの構成部品の少なくとも一方に形成された、シール材の流動を拘束する拘束部３３と、を含む燃料電池のシール構造。（ロ）シール材３２の硬化の工程を、構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いた、燃料電池のシール構造の製造方法。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池のシール構造とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
たとえば、特開平８−４５５１７号公報に開示されているように、積層されたセルの、セパレータ間、またはセパレータと電解質膜間は、燃料ガス、酸化ガス、または冷却水の漏れ、または混合を防止するために、シールされる。
従来のシールは、通常、つぎの何れかのシール構造または方法をとる。
１）接着剤によりガスシール性を確保する（接着シール）。
２）セパレータで電解質膜を直接挟み、シールする（加圧シール）。
３）ゴムシート、Ｏリングなどを電極とセパレータ間に挟み込む（シール材挟持による加圧シール）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池のシール構造には、それぞれつぎの課題がある。
１）接着シールの課題
・　接着してしまうため、作成後モジュールの分解が難しく、リサイクル、リビルド（再組立）が困難である。
・　モジュール化する際に、ワークを積層し固定した状態での加熱・加圧工程が必要になる。この場合、荷重をかけ、接着剤を押しつぶした状態で接着剤を硬化させる必要があるので、モジュール化工程において加熱工程・加圧工程が同時に実行される。したがって、硬化完了時間に応じて生産数に応じた固定装置が必要となり、固定装置に一度に入れることができるワークの数も限られるため、生産性が低い。
・　接着力のみによりシール性を確保しているため、材料劣化（接着剤、被着体共）により接着力が低下するとシール性を確保できなくなり、長期にわたって信頼性を確保し難い。
・　接着剤である接着剤層と他の部位の膨張係数を同一とすることが困難であるため、製品の温度変化により電極部への面圧変化が発生することで、接触抵抗が変化し、電池性能が温度変化により差異を生じる。
・　接着剤自体のクリープにより電極部への面圧変化が発生することで、接触抵抗が変化し、電池性能が変化する。
・　ガスシール性を確保するために、一定のシール幅を確保する必要があり、シール幅が広くなる。
・　ワーク外にはみだして硬化してしまった「バリ」を除去する工程が必要になる。
２）加圧シールと、３）シール材挟持による加圧シールの課題
・　それぞれの部品が一体となっておらず、ばらばらになってしまうため、製造時においてモジュール単位でのハンドリングが困難である。
・　シールゴム等のクリープや、部品の線膨張係数の差異などにより面圧が低下すると、シール性が確保できなくなる。
・　スタックに組み上げた後でしか、リーク、性能の評価ができないため、不良品の交換には、スタック全体を分解する必要があり、再度組立なおさなければならず、作業効率が悪い。また、リーク箇所を特定することが困難である。たとえ、一部リーク箇所を見つけてそこを交換しても、他にもリーク箇所があるかもしれず、その場合は、再度のスタック全体の分解、再組立が必要になる。
・　全てのセルを積層してからしかスタック荷重付与ができないため、積層中にそれぞれの部品の位置ずれを発生しやすい。
【０００４】
本発明の目的は、燃料電池のリビルド性、リサイクル性ならびに生産性を向上させることができる燃料電池シール構造およびその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、上記課題のいずれか少なくとも一つを解決する燃料電池シール構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（イ）　燃料電池の積層される構成部品間をシールする燃料電池のシール構造であって、
ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持する、シール材と、
該シール材を間に介層した２つの構成部品の少なくとも一方に形成された、前記シール材の流動を拘束する拘束部と、
を含む燃料電池のシール構造。
（ロ）　燃料電池の積層される構成部品間に、ゲル、流動可能体、塑性ポリマーから選択された塑性材料からなり、ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持するシール材を配置して、前記構成部品間をシールする燃料電池のシール構造の製造方法であって、
シール材のゲル状または高粘性材または粘着剤の硬化までの工程を、シール材を貼付けた構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いた、燃料電池のシール構造の製造方法。
【０００６】
上記（イ）の燃料電池のシール構造および上記（ロ）の燃料電池のシール構造の製造方法では、シール材が、ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、構成部品の積層工程の前に、シール材自体の材料硬化（３次元樹脂架橋）は終了しており、接着剤による接着と異なり構成部品同士はシール材の粘着力によって結合しているだけであるから、シール材部位で構成部品同士を分離することができ、かつシール材自体も構成部品から分離することができ、モジュールの分解およびスタックの分解が可能で、燃料電池のリビルド（再組立）、リサイクルが可能である。
また、シール材がゲルまたは高粘性材または粘着剤でその状態が維持され、シール材に締結荷重がかからないので、構成部品上にシール材を塗布した時とほとんど同じシール材幅が維持され、従来の加圧積層した時に幅が拡がる接着剤のように幅の変化代を確保する必要がなく、用意するシール材幅を狭くすることができ、電極利用面積率が向上する。
上記（ロ）の燃料電池のシール構造の製造方法では、シール材のゲル状または高粘性材までの硬化（固化ではない）の工程を、構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いたので、シール材をワークに塗布したものを大量に炉（硬化装置）などに入れることができ、もしくは紫外線などを当てて硬化させることができ、生産性を向上させることができる。また、粘着剤の場合は、硬化済み（固化ではない）の粘着剤シートをワークに貼付けたものを大量に生産できるので、生産性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図８を参照して説明する。
本発明の燃料電池は低温型の燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図６〜図８に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。
セパレータ１８には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が形成されている。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に連通しており、燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に連通している。
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。
【００１０】
図８に示すように、膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１１】
図５〜図７に示すように、燃料電池１０の構成部品（少なくともセパレータ１８および電解質膜１１を含む構成部品）間にはシール材３２が配置されている。シール材３２を間に介層した２つの構成部品は、セパレータ１８とセパレータ１８であるか、もしくはセパレータ１８と電解質膜１１である。
図５は、セル面内方向のシール材３２の配置を、図６、図７はセル積層方向のシール材３２の配置を示している。
シール材３２は、各流体流路２６、２７、２８および各マニホールド２９、３０、３１は、異なる種類の流体流路およびマニホールド、および燃料電池外部から、シールしている。したがって、シール材３２があることによって、各流体は異なる流体と混じり合わないし、また、外部に漏れることもない。
シール材３２は、セパレータ１８とセパレータ１８との間、またはセパレータ１８と電解質膜１１との間、に配置されて、セパレータ１８とセパレータ１８との間、またはセパレータ１８と電解質膜１１との間、をシールする。
【００１２】
シール材３２は、従来は接着剤またはＯリング等（接着剤もＯリングも燃料電池使用環境下でも固体になっている）から構成されていたが、本発明では、シール材３２は、ゲル、高粘性材、粘着剤からなるグループから選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持する（乾燥、固化することなく、モジュールまたはスタックへの組立時におけるシール材の状態とほとんど同じ状態を維持し続ける）ものからなる。したがって、シール材３２は、接着剤による接着と異なり、構成部品同士はシール材３２の粘着力によって結合しているだけであるから、シール材部位で構成部品同士を分離することができ、かつシール材３２自体も構成部品から分離することができ、モジュールの分解およびスタックの分解が可能で、燃料電池のリビルド（再組立）、リサイクルが可能である。
また、シール材３２を間に介層した２つの構成部品（セパレータとセパレータ、またはセパレータと電解質膜）の少なくとも一方（たとえば、２つの構成部品の少なくとも一方がセパレータの場合に、そのセパレータ）には、シール材３２の流動を拘束する拘束部３３が形成されている。
拘束部３３が形成されていることによって、シール材３２に流体の内圧がかかっても、シール材３２が構成部品に対して相対的に移動したり、配置部位から吹き飛ばされることがない。
【００１３】
シール材３２の構成部品積層方向両側にセパレータ１８が位置する場合、シール材３２の、構成部品積層方向両側に位置するセパレータ１８の少なくとも一方のセパレータ１８には、シール材部位のセパレータ間隔を一定に維持する定寸部３４が、セパレータ１８に一体または別体に設けられている。したがって、セル積層体にスタック締結荷重がかかっても、その荷重はスタック締結荷重は定寸部３４で受けられ、その荷重はシール材３２によって受けられず、スタック締結後にシール材３２がスタック締結荷重によって厚みが変化することはない。また、モジュール化時にも、セパレータの上にＭＥＡを載せ、さらにセパレータを載せるだけでモジュールを作成でき、従来のように、接着剤を押しつぶすためにセパレータを押し付ける必要はない。
【００１４】
定寸部３４は、セパレータ１８の外周部周縁に設けられている。定寸部３４によって間隔を維持されたセパレータ１８は、拘束部３３においても、２つの構成部品（セパレータとセパレータ、またはセパレータと電解質膜）間にはセル積層方向に間隔があり、その間隔にはシール材３２が存在して、２つの構成部品間をシールしている。
定寸部３４によりシール材３２の押しつぶしがないことにより、シール材３２は幅方向にほとんど拡がることがない。そのため、接着剤の場合のように拡がり代を設けておく必要がない。
シール材３２は少なくとも表面に粘着性を有する。この場合、シール材３２自体が粘着性をもった材料であってもよいし、自身は粘着性をもたないシール材３２の表面に粘着性物質を塗布したものでもよい。
【００１５】
図１、図２、図６、図７に示すように、拘束部３３は、シール材３２に向かって凸または凹となる凹凸形状を有する。図２のａ）〜ｄ）では、拘束部３３は、１条以上の、連続状または非連続状（縞状、または島状）の、突出リブ（凸状リブと呼んでもよい）を有する。突出リブの高さは、突出リブの突出先端と対向構成部品との間にシール材３２を介在する間隙が残る高さである。
拘束部３３を凹凸形状とすることにより、シール材３２が拘束部３３に食い込み、楔効果が出て、シール性がより一層大きくなる。
拘束部３３は、上記の凹凸形状に代えて、シール材３２との接触面をプラズマ処理などして接着力（分離可能の接着力）を向上させたものであってもよい。プラズマ処理により表面に反応基が立ち、シール材との接着力が向上する。
【００１６】
図２は、拘束部３３が凹凸形状を有する場合に、種々の拘束部３３の凹凸形状の断面形状を示す。図２において、
ａ）は、拘束部３３が突出リブからなり、両側から流体圧がかかる場合の突出リブの幅方向両端にテーパ３３ａがある場合を示し、ａ−１）は対向する２つの構成部品（図２の例は２つの構成部品がセパレータとセパレータの場合を示すが、セパレータと電解質膜であってもよい）の両方に突出リブが形成されている場合を、ａ−２）は対向する２つの構成部品の片方のみに突出リブが形成されている場合を、それぞれ、示している。
ｂ）は、拘束部３３が突出リブからなり、両側から流体圧がかかる場合の突出リブの幅方向両端にテーパがない場合を示し、ｂ−１）は対向する２つの構成部品の両方に突出リブが形成されている場合を、ｂ−２）は対向する２つの構成部品の片方のみに突出リブが形成されている場合を、それぞれ、示している。
【００１７】
ｃ）は、拘束部３３が突出リブからなり、片側から流体圧がかかる場合の突出リブの幅方向片端（内圧がかかる側の端部）のみにテーパ３３ａがある場合を示し、ｃ−１）は対向する２つの構成部品の両方に突出リブが形成されている場合を、ｃ−２）は対向する２つの構成部品の片方のみに突出リブが形成されている場合を、それぞれ、示している。
ｄ）は、拘束部３３が突出リブからなり、片側から流体圧がかかる場合の突出リブの幅方向片端（内圧がかかる側の端部）にテーパがない場合を示し、ｄ−１）は対向する２つの構成部品の両方に突出リブが形成されている場合を、ｄ−２）は対向する２つの構成部品の片方のみに突出リブが形成されている場合を、それぞれ、示している。
【００１８】
図２のｅ）は、拘束部３３が１条以上の凹部からなり、凹部をシール材３２が埋めており、シール材３２に幅方向両側から流体圧がかかる場合を示し、ｅ−１）は対向する２つの構成部品の両方に凹部が形成されている場合を、ｅ−２）は対向する２つの構成部品の片方のみに凹部が形成されている場合を、それぞれ、示している。シール材３２は凹部から凹部でない部位に出る部分で楔効果を発揮する。
【００１９】
２つの構成部品が電解質膜１１を挟んで対峙するセパレータとセパレータであり、かつ、そのセパレータ同士がＭＥＡを挟持した場合、定寸部３４ではセパレータ１８同士は、電解質膜１１と並列に短絡を起こさないようにするために、電気的に絶縁されている。これは、定寸部３４でセパレータ１８間に絶縁材を挟みこむか定寸部３４の端面に絶縁性の膜を塗布形成しておくことなどによって容易に絶縁構造とすることができる。定寸部３４がセルの外周縁部にあるので、絶縁材の挟み込みは容易である。
【００２０】
図３、図４は、本発明の燃料電池のシール構造の製造方法を示している。
本発明における、シール材３２の塗布方法は、燃料電池の積層される構成部品間に、ゲル、高粘性材、粘着剤からなるグループから選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも固化しないで初期シール材状態を維持する、シール材３２を配置して、構成部品（セパレータとセパレータ、またはセパレータと電解質膜）間をシールする燃料電池のシール構造の製造方法であって、シール材３２のゲル、高粘性材、粘着剤の硬化（固化ではない）までの工程を、シール材３２を貼付けた構成部品の積層（モジュールへの積層、スタックへの積層の何れか少なくとも一方の積層）の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いた、燃料電池のシール構造の製造方法である。
【００２１】
シール材３２の塗布方法は、図３の（イ）に示すようにゲルまたは高粘性材（たとえば、粘着剤）をノズルから塗布するロボットなどによるディスペンサ塗布であってもよいし、あるいは、スクリーン印刷などの高い生産性をもつ塗布方法によっても可能である。ワークに凹凸がある場合でも、シート（保護紙）上へのスクリーン印刷は容易でできる。シール材塗布もしくははりつけ後、それを熱または紫外線で硬化（ゲルまたは高粘性材をより硬化しまたはより粘性を上げる）し、ついで、ワーク積層によりモジュール化する。
【００２２】
また、シール材３２の塗布は、図３の（イ）のゲル状のまたは流動可能体の粘着剤の塗布に代えて、図３の（ロ）に示すような、粘着剤の貼付け（粘着力をもったシート状ポリマーの貼付け）でも実現可能である。シート状ポリマーとした場合、つぎの利点がある。
イ）　硬化がすでに終了した状態で納入でき、硬化工程（図３の（イ）の熱または紫外線による硬化工程）が不要となるため、工程が簡素化する。
ロ）　ワーク（セパレータまたは電解質膜）にシール材を貼付けるだけでよいので、図３の（イ）の粘着剤の塗布工程が不要となり、工程が簡素化する。
ハ）　図４のように、保護紙３５にシート状ポリマーが成形されたロールの状態で製造すれば、連続的にワークへの貼付けが可能になり、生産性が大幅に向上する。図４は、ロール３６からの保護紙３５にシート状ポリマーを形成したものを、ロール３７からのセパレータもしくは電解質膜からなるワークに貼付け、シート状ポリマーをワークに残したまま、保護紙３５のみを別のロール３８で巻き取るようにした例を示している。
シート状ポリマーの場合においても、分解、リビルドが可能、シール幅が狭くなる、モジュール単位でのハンドリングが可能などの利点は、ゲルまたは高粘性材のシール材３２の場合と同じである。
【００２３】
つぎに、本発明の燃料電池のシール構造およびその製造方法の作用、効果を説明する。
シール材３２が、ゲルまたは高粘性材または粘着剤で、燃料電池使用環境下でも固化しないので、つぎの作用、効果がある。
まず、作成後のモジュールの分解が容易で、リサイクル、リビルド（再組立）が容易かつ可能である。
【００２４】
また、従来の接着剤を用いる場合のような加圧工程・加圧装置を必要としないので、図３の（イ）に示すように、ゲルまたは高粘性材のシール材３２を塗布した構成部品を、大量に炉に入れるかもしくは紫外線などを当てて、ゲルまたは高粘性材までに硬化させることにより、または図３の（ロ）に示すように、硬化済みの粘着剤シートを構成部品上に貼付けることにより、構成部品上にシール材３２を成形したものを大量に準備でき、生産性を向上できる。さらに、従来の接着剤の場合と違い、本発明では圧力をかけることなく構成部品を積層するだけでモジュール化が可能であるため、モジュール化工程が大幅に簡素化され、生産性に優れる。
【００２５】
また、シール材３２がゲルまたは高粘性材または粘着剤のままの状態が維持され、シール材３２に締結荷重がかからないので、シール材の幅方向拡がりがほとんどなく、構成部品上にシール材を形成した時と同じ幅が維持され、接着剤のように加圧した時の接着材の幅の変化のために変化代を確保する必要がなく、用意するシール材３２幅を狭くすることができ、電極利用面積率が向上する。
従来の液状接着剤を押しつぶす場合とは異なり、ワーク外にシール材がはみ出すことが無いため、従来の接着剤の場合に必要であったバリ取り工程が不要となる。
シール材３２に締結荷重をかける必要がないので、モジュール段階、スタックに組み上げる前の段階で、シール性の良否をテストできる。
【００２６】
また、シール材３２をワークに載せない状態で架橋する（たとえば、シート上で架橋したものを転写する）場合は、ワークに付着またはワーク材中に存在する樹脂材料の硬化阻害物質の影響がなくなる。
また、シール材３２に熱可塑性の高分子（シート状の熱可塑性エラストマーなど）を用いた場合は、電極のリサイクルに加えて、シール材３２自体のリサイクルも可能となる。
また、モジュール間（セパレータとセパレータ間）にも、モジュール内（セパレータと電解質膜間、ならびに、セパレータとセパレータ間）にも適応でき、別の材料のシール（たとえば、ゴムカスケットと接着剤）を用いる必要がなくなり、シール材の部品点数を削減できる。
【００２７】
また、ゴムガスケットなどの面圧シールの場合は、車両衝突時のモジュールずれを防ぐために、摩擦力を確保するために過大な荷重を掛けたり、スタック外部にて全体を拘束する部品などが必要になるが、ゲル、高粘性材、または粘着剤のシール材３２は、モジュール間シール（従来はゴムガスケット）に使用することにより、衝突時のずれ防止に余分の拘束部品を設ける必要がなくなる。
また、ゴムガスケットやＯリング等の面圧シールを行う場合、電極部に必要な面圧（拡散層とセパレータリブ間の面圧）の他にシール部を圧縮する荷重が必要となるが、ゲルまたは高粘性材または粘着剤と、楔効果によるシールの場合、この荷重が不要となるため、構成部品に必要な耐荷重を低く設計でき、部品の簡素化や薄肉化（セパレータや、樹脂フレームの薄肉化）が可能となり、製品重量の軽減が可能になる。
【００２８】
また、定寸部３４を設けたので、シール材３２自体には荷重がかからず定寸部３４に荷重がかかるため、従来の接着剤の場合とは違い、シール材３２のクリープによるＭＥＡ厚さの変化がなく電極部の面圧変化による電池性能低下の心配がない。
また、定寸部３４が凸状で、セパレータ１８の外周部に連続状に設けられているので、剛性があがり、セパレータ１８の成形時の反りなどが抑制される。
【００２９】
また、シール材３２が少なくとも表面に粘着性を有するので、加圧シールのみによるシール構造とは違い、粘着力を利用できるため、ワークがばらばらにならず、モジュール単位でのハンドリングが可能である。
シート状粘着剤の場合は、保護紙にシート状粘着剤をパターンをもって貼付けておき、それをワークに転写することにより、生産性を上げることができる。
【００３０】
拘束部３３がシール材３２側に向かって凹凸する凹凸形状から構成した場合は、内圧がかかった時にシール材３２が凹凸形状にくいこむとともの、テーパ部もしくは段差部において内圧シール（シール材がテーパ部もしくは段差部に内圧で押し付けられて得られるシール）となる効果が得られ、接着力のみによるシールよりもシール性、信頼性ともに優れる。
また、内圧に対して楔構造をとっているため、シール材３２の材料自体のクリープや、シール材３２と構造部品１８、１１との熱膨張係数の差によるすべりを生じない。このため、シール信頼性に優れる。
また、定寸部３４で絶縁するので、そしてその定寸部３４はセルの外周部周縁にあって容易に絶縁シート等を挟み込むことができるので、電解質膜１１の両側のセパレータ１８を容易に電気的に絶縁することができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池のシール構造の製造方法では、図３の（イ）に示すように、シール材３２のゲル状または高粘性材までの硬化（固化ではない）の工程を、構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いたので、シール材３２をワークに塗布したものを大量に炉（硬化装置）などに入れることができ、もしくは紫外線などを当てて硬化させることができ、生産性を向上させることができる。また、粘着剤の場合は、図３の（ロ）に示すように、硬化済み（固化ではない）の粘着剤シートをワークに貼付けたものを大量に生産できるので、生産性を向上させることができる。また、図４に示すように、シート状ポリマーをロールで供給してワークに貼付けるようにした場合、連続生産も可能になり、生産性が大幅に向上する。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１〜８の燃料電池のシール構造および請求項９、１０の燃料電池のシール構造の製造方法によれば、シール材が、ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも固化せずに初期の材料状態を維持するため、接着剤による接着と異なり構成部品同士はシール材の粘着力によって結合しているだけであるから、シール材部位で構成部品同士を分離することができ、かつシール材自体も構成部品から分離することができ、モジュールの分解およびスタックの分解が可能で、燃料電池のリビルド（再組立）、リサイクルが可能である。
また、従来の接着剤を用いる場合のような加圧工程・加圧装置を必要としないので、（イ）ゲルまたは高粘性材のシール材を塗布した構成部品を、大量に炉に入れるかもしくは紫外線などを当てて、ゲルまたは高粘性材までに硬化させることにより、または（ロ）硬化済みの粘着剤シートを構成部品上に貼付けることにより、構成部品上にシール材を成形したものを大量に準備でき、生産性を向上できる。さらに、従来の接着剤の場合と違い、本発明では圧力をかけることなく構成部品を積層するだけでモジュール化が可能であるため、モジュール化工程が大幅に簡素化され、生産性に優れる。
また、シール材がゲルまたは高粘性材または粘着剤でその状態が維持され、シール材に締結荷重がかからないので、構成部品上にシール材を塗布した時とほとんど同じシール材幅が維持され、従来の加圧した時に幅が拡がる接着剤のように幅の変化代を確保する必要がなく、用意するシール材幅を狭くすることができ、電極利用面積率が向上する。
従来の液状接着剤を押しつぶす場合とは異なり、ワーク外にシール材がはみ出すことが無いため、バリ取り工程が不要となる。
シール材に締結荷重をかける必要がないので、モジュール段階で、したがってスタックに組み上げる前に、シール性の良否をテストできる。
請求項２の燃料電池のシール構造によれば、定寸部を設けたため、シール材自体には荷重がかからず定寸部に荷重がかかるため、従来の接着剤の場合とは違い、シール材のクリープによるＭＥＡ厚さの変化がなく電極部の面圧変化による電池性能低下の心配がない。
請求項３の燃料電池のシール構造によれば、シール材が少なくとも表面に粘着性を有するので、Ｏリングなどの加圧シール構造とは違い、粘着力をシールに利用できるため、シール性が向上する。また、モジュール、スタックへの組み上げ時に、ワークがばらばらにならず、モジュール単位でのハンドリングが可能であり、燃料電池組み上げを容易化できる。
請求項４の燃料電池のシール構造によれば、拘束部が前記シール材側に向かって凹凸する凹凸形状を有するため、内圧がかかった時にシール材が凹凸形状にくいこんでいく楔硬化が得られ、接着力のみによるシールよりもシール性、信頼性ともに優れる。
また、内圧に対して楔構造をとっているため、シール材の材料自体のクリープや、シール材と構造部品との熱膨張係数の差によるすべり、によるシール性低下を生じない。このため、シール信頼性に優れる。
請求項７の燃料電池のシール構造によれば、定寸部で絶縁するので、そして、その定寸部はセルの外周部周縁にあって容易に絶縁シート等を挟み込むことができるので、電解質膜両側のセパレータを容易に電気的に絶縁することができる。請求項９の燃料電池のシール構造の製造方法によれば、シール材のゲル状または高粘性材までの硬化（固化ではない）の工程を、構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いたので、シール材をワークに塗布したものを大量に炉（硬化装置）などに入れることができ、もしくは紫外線などを当てて硬化させることができ、生産性を向上させることができる。また、粘着剤の場合は、硬化済み（固化ではない）の粘着剤シートをワークに貼付けたものを大量に生産できるので、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のシール構造の一部の（図５のＡ−Ａ線に沿った）拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池のシール構造の拘束部の形状の種々の例ａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）、ｅ）を示す断面図である。
【図３】（イ）は本発明の燃料電池のシール構造の、ゲル、高粘性材のシール材の塗布工程を示す斜視図であり、（ロ）は本発明の燃料電池のシール構造の、粘着剤のシール材の塗布工程を示す斜視図である。
【図４】粘着剤シール材をシート状ポリマーで供給した場合のワークへの貼付け工程を示す斜視図である。
【図５】燃料電池のセル面の一例の正面図である。
【図６】本発明の燃料電池のシール構造の一例の（図５のＢ−Ｂ線に沿った）断面図である。
【図７】本発明の燃料電池のシール構造の一例の（図５のＣ−Ｃ線に沿った）断面図である。
【図８】燃料電池のスタックの一例の側面図である。
【符号の説明】
１０　（固体高分子電解質型）燃料電池
１１　電解質膜
１２、１５　触媒層
１３、１６　拡散層
１４　電極（アノード、燃料極）
１７　電極（カソード、空気極）
１８　セパレータ
１９　セル
２０　ターミナル
２１　インシュレータ
２２　エンドプレート
２３　スタック
２４　締結部材（テンションプレート）
２５　ボルト
２６　冷媒流路（冷却水流路）
２７　燃料ガス流路
２８　酸化ガス流路
２９　冷媒マニホールド
３０　燃料ガスマニホールド
３１　酸化ガスマニホールド
３２　シール材
３３　拘束部
３３ａ　テーパ
３４　定寸部
３５　保護紙
３６、３７、３８　ロール

Claims (10)

1. 燃料電池の積層される構成部品間をシールする燃料電池のシール構造であって、
   ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持する、シール材と、
   該シール材を間に介層した２つの構成部品の少なくとも一方に形成された、前記シール材の流動を拘束する拘束部と、
   を含む燃料電池のシール構造。
2. 前記シール材の、構成部品積層方向両側に位置するセパレータの少なくとも一方に、一体または別体に設けられた、前記シール材部位のセパレータ間隔を一定に維持する定寸部を、有する請求項１記載の燃料電池のシール構造。
3. 前記シール材は少なくとも表面に粘着性を有する請求項１記載の燃料電池のシール構造。
4. 前記拘束部は前記シール材に向かって凸または凹となる凹凸形状を有する請求項１記載の燃料電池のシール構造。
5. シール材を間に介層した２つの構成部品はセパレータとセパレータである請求項１記載の燃料電池のシール構造。
6. シール材を間に介層した２つの構成部品はセパレータと電解質膜である請求項１記載の燃料電池のシール構造。
7. ２つの構成部品が電解質膜を挟んで対峙するセパレータとセパレータであり、前記定寸部ではセパレータ同士が電気的に絶縁されている請求項２記載の燃料電池のシール構造。
8. 前記燃料電池は低温型の燃料電池である請求項１〜請求項７記載の燃料電池のシール構造。
9. 燃料電池の積層される構成部品間に、ゲル、高粘性材、粘着剤から選択された材料からなり、燃料電池使用環境下でも初期の材料状態を維持する、シール材を配置して、前記構成部品間をシールする燃料電池のシール構造の製造方法であって、
   前記シール材のゲルまたは高粘性剤または粘着剤の硬化までの工程を、シール材を貼付けた構成部品の積層の工程とは別の工程とし、構成部品の積層の工程より前に置いた、燃料電池のシール構造の製造方法。
10. 前記燃料電池は低温型の燃料電池である請求項９記載の燃料電池のシール構造の製造方法。

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