JP2006092924A - 単電池、単電池の製造方法、燃料電池、燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産性を好適に高めて構成部品を適切に接合することができる単電池、単電池の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法を課題とする。
【解決手段】 燃料電池の単電池２を構成する複数の部品を積層してなる単電池２であって、その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間の周辺部が、周方向に亘って樹脂９４によりモールドされて一体的に接合されたものである。モールドされる部品は、ＭＥＡ１１と、これを挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池における最小発電単位となる単電池（単セル）に関し、特に単電池を構成する部品が積層してなる単電池、単電池の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法に関するものである。

一般に、固定高分子型の単電池は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有する（例えば、特許文献１参照。）。各セパレータに形成したガス流路を介して酸化ガスまたは燃料ガスが各電極に供給されることで、単電池の発電が行われる。スタック構造の燃料電池は、単電池を複数積層することで構成される。特許文献１の単電池を構成する際には、両セパレータの対向面の所定位置に接着剤が塗布されて、セパレータ間が接着剤で固定される。

また、上記の積層形態と異なる他の単電池も知られている（例えば、特許文献２参照。）。この単電池は、ＭＥＡと、ＭＥＡの電解質膜の周縁部を挟持する枠状の一対のフレームと、で電解質膜部材を構成する。そして、ガス流路を形成した集電板が電解質膜部材の両側に配され、さらに各集電板の外側にセパレータがそれぞれ配される。このような構成部品を一体化して単電池を構成する場合にも、フレームと電解質膜の周縁部との間に接着剤を用いると共に、フレームとセパレータとの間に接着剤を用いている。
特開２００３−８６２２９号公報（第３頁および第２図） 特開２００４−６４１９号公報（第６頁および第１図）

このような従来の単電池の製造方法のように、構成部品間の接合に接着剤を用いる場合にはその硬化時間を要することになる。このため、構成部品が確実に接合されるまでに長い時間がかかり、単電池の生産性を向上することが困難となる。また、単電池の積層化においても同様の問題が発生している。

本発明は、生産性を好適に高めて構成部品を適切に接合することができる単電池、単電池の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法を提供することをその目的としている。

本発明の単電池は、燃料電池の単電池を構成する複数の部品を積層してなる単電池であって、その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合されたものである。

この構成によれば、部品間の接合が樹脂によるモールドで行われるため、部品間を迅速に且つ適切に接合することができる。これにより、接着剤を用いる場合に比べてその硬化時間分だけ、単電池の製造に要する時間を短縮してその生産性を向上することができる。また、部品間の周辺部がモールドされるため、部品間のシール性も樹脂によって確保することが可能となる。

ここで、燃料電池は、燃料電池自動車に好適な固体高分子型のみならず、例えばリン酸型など他のタイプのものであってもよい。単電池を構成する複数の部品は、後述する例えば電解質膜および電極からなるＭＥＡ、並びにセパレータが一般的であるが、上記特許文献２に記載のような構成の場合には、フレーム状の部材も単電池を構成する部品に該当する。

上記の場合、複数の部品には、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、が含まれ、ＭＥＡと各セパレータとの間の周辺部がそれぞれ、樹脂によりモールドされて一体的に接合されたことが、好ましい。

この構成によれば、ＭＥＡおよび一対のセパレータの計３つの部品を同時に（一回のモールド工程で）接合することができ、単電池の製造に要する時間を好適に短縮することができる。

この場合、ＭＥＡと各セパレータとの間には、これらの間をシールするシール部材がそれぞれ設けられ、ＭＥＡと各セパレータとの間の周辺部がそれぞれ、樹脂によりモールドされて、各シール部材の外周面と一体的に接合されたことが、好ましい。

この構成によれば、モールド時にはシール部材によって単電池の内部に（セパレータとＭＥＡとの間の内方向に）樹脂が流入することを阻止することができる。また、成形後には、シール部材が、モールドされた樹脂と協働してＭＥＡと各セパレータとの間を適切にシールすることができる。なお、各セパレータには、モールド時におけるシール部材の移動を規制する規制部が設けられていることが好ましい。また好ましくは、ＭＥＡの電解質膜は、電解質膜の両面に設けられた一対の電極よりも大きい面積を有しており、各シール部材は、電解質膜の各電極の外側の周辺部と各セパレータとの間を、それぞれ直接的にシールする。

本発明の他の単電池は、燃料電池の単電池を構成する複数の部品を積層してなる単電池であって、その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間に設けられ、この部品間をシールするシール部材を備え、シール部材を挟む両部品の周辺部は、周方向に亘って樹脂によりモールドされてシール部材の外周面と一体的に接合されており、シール部材の少なくとも外側に位置する流体の通路は、モールド時に通路への樹脂の流入を阻止するためのマスキング部材を配置可能に構成されているものである。

同様に、本発明の他の単電池は、燃料電池の単電池を構成する複数の部品を積層してなる単電池であって、その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間に設けられ、この部品間をシールするシール部材を備え、シール部材を挟む両部品の周辺部は、シール部材の少なくとも外側に位置する流体の通路にマスキング部材が配置された状態で、周方向に亘って樹脂によりモールドされてシール部材の外周面と一体的に接合されたものである。

これらの構成によれば、部品間の接合が樹脂によるモールドで行われるため、部品間を迅速に且つ適切に接合することができ、単電池の生産性を向上することができる。モールド時には、シール部材によって部品間の内方向に樹脂が流入することを阻止することができる。また、シール部材の外側に位置する流体の通路については、モールド時に樹脂が流入するおそれがあるが、上記のようにモールド時にマスキング部材を配置することができるため、流体の通路を適切に且つ容易に確保することができる。また、接合後には、シール部材が、モールドされた樹脂と協働して部品間を適切にシールすることができる。

この場合、シール部材が設けられる少なくとも一部の部品間は、セパレータとＭＥＡとの間であり、マスキング部材が配置される流体の通路は、セパレータに形成された流体のマニホールド部であることが、好ましい。

この構成によれば、ＭＥＡとセパレータとをシール部材と共に適切に且つ迅速に接合することができると共に、モールド時に樹脂がマニホールド部に流入することを阻止することができる。これにより、燃料ガスや酸化ガスなどのガスをマニホールド部を介してＭＥＡに適切に供することができたり、冷却水などの冷媒をマニホールド部を介して単電池に供することができる。

同様に、シール部材が設けられる少なくとも一部の部品間は、セパレータとＭＥＡとの間であり、セパレータには、ＭＥＡの電極に面するガス流路と、ガス流路に流体を導入するための入口側マニホールド部と、ガス流路と入口側マニホールド部とを連絡する入口側連絡通路と、ガス流路から流体を導出するための出口側マニホールド部と、ガス流路と出口側マニホールド部とを連絡する出口側連絡通路と、が形成されており、マスキング部材が配置される流体の通路は、入口側連絡通路および出口側連絡通路であることが、好ましい。

この構成によれば、モールド時に樹脂が入口側連絡通路および出口側連絡通路に流入することを阻止することができ、上記同様に燃料ガスや酸化ガスをＭＥＡに適切に供することができる。
ここで、ガス流路は、ストレート流路で構成することもできるし、サーペンタイン流路で構成することもできる。

本発明の単電池の製造方法は、複数の部品を積層して燃料電池の単電池を構成する単電池の製造方法であって、その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間の周辺部を、周方向に亘って樹脂によりモールドして一体的に接合するモールド工程を含むものである。

この構成によれば、部品間の接合を樹脂によるモールドで行うため、部品間を迅速に且つ適切に接合することができる。これにより、その接合に接着剤を用いる場合に比べ、単電池の製造に要する時間が短縮されるため、その生産性を向上することができる。

この場合、モールド工程は、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持すると共に流体の通路が形成された一対のセパレータと、を一体的に接合することで行われるが、好ましい。

この構成によれば、ＭＥＡおよび一対のセパレータの計３つの部品を同時に接合することができ、単電池の製造に要する時間を好適に短縮することができる。

この場合、モールド工程は、流体の通路への樹脂の流入を阻止した状態で行われることが、好ましい。

この構成によれば、上記同様に、モールド後に、流体の通路を適切に且つ容易に確保することができる。

この場合、モールド工程は、流体の通路への樹脂の流入を阻止するマスキング部材を、流体の通路に配置した状態で行われ、モールド工程の後、マスキング部材を流体の通路から取り出す取出し工程を、更に備えたことが、好ましい。特に、マスキング部材が配置される流体の通路は、マニホールド部、またはマニホールド部とＭＥＡの電極に面するガス流路とを連絡する連絡通路であることが、好ましい。

この構成によれば、例えばマニホールド部や連絡通路などの通路へのマスキング部材の配置という簡易な構成により、モールド時に樹脂が通路に流入することを適切に阻止することができる。このため、モールド後にマスキング部材を取り出すことで、流体の通路が適切に確保された単電池を提供することが可能となる。

同様に、モールド工程は、ＭＥＡとセパレータとの間に設けたシール部材により流体の通路を囲繞するようにした状態で行われることが、好ましい。

この構成によれば、流体の通路がシール部材により囲繞されるため、流体の通路への樹脂の流入を阻止し得る。これにより、流体の通路を適切に確保することができる。

本発明の燃料電池は、上記した本発明の単電池を複数積層してなる燃料電池であって、その複数の単電池間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合されたものである。

本発明の他の燃料電池は、単電池を複数積層してなる燃料電池であって、その複数の単電池間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合されたものである。

本発明の燃料電池の製造方法は、単電池を複数積層して燃料電池を構成する燃料電池の製造方法であって、その複数の単電池間の周辺部を、周方向に亘って樹脂によりモールドして一体的に接合するモールド工程を含むものである。

これらの構成によれば、単電池間の接合が樹脂によるモールドで行われるため、単電池間を迅速に且つ適切に接合することができる。これにより、接着剤を用いる場合に比べて、燃料電池の製造に要する時間を短縮してその生産性を向上することができる。

この場合、モールド工程は、単電池を構成する複数の部品間を、樹脂によりモールドして一体的に接合することを兼ねることが、好ましい。

この構成によれば、単電池を構成する複数の部品を全て接合した状態の単電池をモールドするのではなく、未接合状態の単電池を複数積層した上でモールドすることで、単電池間の接合と、単電池を構成する部品間の接合とが同時に行われる。これにより、燃料電池の製造に要する時間をより一層短縮することが可能となる。

本発明の単電池およびその製造方法によれば、その構成部品を迅速に接合することができるため、生産性を適切に高めることができる。

本発明の燃料電池およびその製造方法によれば、複数の単電池を迅速に接合することができるため、同様に生産性を適切に高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。この燃料電池は、最小発電単位となる単電池を複数積層してなるものであり、単電池を構成する部品間や、単電池間を樹脂によるモールドで一体的に接合することで、単電池および燃料電池の生産性を高めたものである。以下では、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池を例に説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池１は、複数の単電池２を積層したスタック本体３を有し、スタック本体３の両端に位置する単電池２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられた図外のテンションプレートが各エンドプレート８，８にボルト固定されることで、単電池２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。

図２および図３に示すように、単電池２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、ＭＥＡ１１の外形は、各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。詳細を後述するように、ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ，１３ｂとともに、成形樹脂９４によりモールドされている。

ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成され、全体として積層形態を有している。電解質膜２１は、各電極２２ａ，２２ｂよりもサイズを僅かに大きく形成されている。電解質膜２１には、その周縁部２４を残した状態で各電極２２ａ，２２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

電極２２ａ，２２ｂは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単電池２は起電力を得る。

各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ１２ａ，１２ｂの基材は板状のメタルで形成され、基材の電極側の面には、耐食性に優れた膜が被覆されている。

セパレータ１２ａ，１２ｂには、電極２２ａ，２２ｂに面する部分をプレス成形されることで表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部および凹部は、それぞれ一方向に延在しており、酸化ガスのガス流路３１ａまたは水素ガスのガス流路３１ｂや、冷却水流路３２を画定している。

具体的には、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、ストレート状の酸化ガスのガス流路３１ａが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、ストレート状の水素ガスのガス流路３１ｂが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路３２が複数形成されている。

そして、単電池２における二つのガス流路３１ａおよびガス流路３１ｂは、同方向に平行に延在し、ＭＥＡ１１を挟んで位置ずれすることなく対向している。また、隣接する二つの単電池２，２においては、一方の単電池２のセパレータ１２ａの外面と、その隣の単電池２のセパレータ１２ｂの外面とが付き合わされ、両者の冷却水流路３２が連通されてその流路断面が四角形となる。後述するように、隣接する単電池２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとは、それらの間の周辺部を成形樹脂９４によりモールドされている。

セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水の入口側のマニホールド４３が矩形状に貫通形成されている。セパレータ１２ａ，１２ｂの他方の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が矩形状に貫通形成されている。

セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１とマニホールド５１とは、セパレータ１２ａに溝状に形成した入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介して、酸化ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用のマニホールド４２とマニホールド５２とは、セパレータ１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６３および出口側の連絡流路６４を介して、水素ガスのガス流路３１ｂに連通している。

また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３とマニホールド５３とは、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６５および出口側の連絡流路６６を介して、冷却水流路３２に連通している。このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、単電池２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が適切に供されるようになっている。

例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１から連絡通路６１を介してガス流路３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、連絡通路６２を介してマニホールド５１に導出される。酸化ガスは、セパレータ１２ｂのマニホールド４１およびマニホールド５１を通流するが、セパレータ１２ｂの内方向には導入されない。なお、本実施形態ではガス流路３１ａ、３１ｂや冷却水流路３２についてストレート流路を例に説明したが、もちろんこれらの各流路３１ａ、３１ｂ，３２をサーペンタイン流路で構成してもよい。

第１シール部材１３ａ，１３ｂは、ともに枠状の同一形状で形成されている。一方の第１シール部材１３ａは、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間に設けられ、これらの間をシールする。詳細には、第１シール部材１３ａは、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ａのガス流路３１ａから外れた位置の表面との間に設けられる。同様に、他方の第１シール部材１３ｂは、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ｂのガス流路３１ｂから外れた位置の表面との間に設けられ、これらの間をシールする。

また、隣接する単電池２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間には、枠状の第２シール部材１３ｃが設けられている。第２シール部材１３ｃは、セパレータ１２ａの冷却水流路３２から外れた位置の表面と、セパレータ１２ｂの冷却水流路３２から外れた位置の表面との間に設けられ、これらの間をシールする。したがって、セパレータ１２ａ，１２ｂにおける流体の各種通路（３１ａ，３１ｂ，３２,４１〜４３、５１〜５３，６１〜６６）のうち、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃの外側に位置する通路は、各種流体の入口側のマニホールド４１〜４３および出口側のマニホールド５１〜５３となる。

なお、図２では簡略されているが、第１シール部材１３ａ，１３ｂは、電極２２ａ，２２ｂを考慮して、内周の電解質膜２１側の部位が段部となっている。また、セパレータ１２ａ，１２ｂは、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃに対応して形成されており、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃを装着する凹部と、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃの内方向への移動を規制する規制部位７１と、を有している。第１シール部材１３ａ，１３ｂと第２シール部材１３ｃとの形状は、図３では異なっているが、もちろん同一の形状として構成してもよい。

これら第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃは、燃料電池１（単電池２）としての機能を確保することからすれば、必ずしも必須の構成部品ではない。しかし、単電池２のＭＥＡ１１およびセパレータ１２ａ，１２ｂの周辺部を成形樹脂９４によりモールドする際には、第１シール部材１３ａ，１３ｂは、単電池２の内方向への成形樹脂９４の流入を防止するように機能する。また、第２シール部材１３ｃは、単電池２間のモールド時に、同様に単電池２の内方向への成形樹脂９４の流入を防止するように機能する。さらに、モールド後においては、これらの第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃは、モールドされた成形樹脂９４と協働して、ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとの間や、隣接する単電池２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間を適切にシールするようになる。

ここで、図４ないし図７を参照して、燃料電池１の製造方法について、単電池２の構成部品の組立てプロセスと共に説明する。単電池２の組立てプロセスでは、その構成部品間がモールドされるが、このモールドは、例えば１０〜２０枚の単電池２間を同時にモールドする工程の中で行われる。

先ず準備段階では、セパレータ１２ａをセットし、これに第１シール部材１３ａを所定位置に設ける。このとき、酸化ガスの流路を確保するため、セパレータ１２ａの連絡通路６１，６２のそれぞれに、図５に示す通路用の第１マスキング部材８１を挟み込むように装着する。なお後述するように、第１マスキング部材８１は、セパレータ１２ａ，１２ｂの各連絡通路（６１〜６６）にそれぞれ設けられるものであり、各マスキング部材は同様な構成である。ここでは、連絡通路の代表として連絡通路６２を例に第１マスキング部材８１について説明する。

第１マスキング部材８１は、連絡通路６２の溝幅および溝深さに対応した形状を具備しており、可撓性を有する材料で形成されている。第１マスキング部材８１を連絡通路６２に装着することによって、モールド時の成形樹脂９４が連絡通路６２に流入することが阻止される。この場合、第１マスキング部材８１の長手方向の一部８２をマニホールド５１内に突出させて、第１マスキング部材８１を連絡通路６２に装着するようにする。これにより、モールド後に、マニホールド５１からアクセスすることで、第１マスキング部材８１の突出部分８２を介してこれを連絡通路６２から引き出すことが容易となり、第１マスキング部材８１を連絡通路６２から容易に取り出すことができるようになる。

次のステップでは、セパレータ１２ａおよび第１シール部材１３ａに対し、ＭＥＡ１１および第１シール部材１３ｂを順に積層するように所定位置に設ける。そして、これらに対しセパレータ１２ｂを所定位置に積層する。このとき、水素ガスの流路を確保するため、セパレータ１２ｂの連絡通路６３，６４のそれぞれに、第１マスキング部材８１を上記と同様に挟み込むように装着する。その後、セパレータ１２ｂに第２シール部材１３ｃを設けるが、このときも冷却水の流路を確保するため、セパレータの１２ｂの連絡通路６５，６６のそれぞれに、第１マスキング部材８１を上記と同様に挟み込むように装着する。

このような工程を単電池２の所定枚数分（例えば１０〜２０枚分）繰り返して、この所定枚数からなる複数の単電池２を未接合状態のまま積層する。この状態では、複数の単電池２の間では、計６つの各マニホールド（４１〜４３、５１〜５３）はセル積層方向において合致する。ここで、マニホールド（４１〜４３、５１〜５３）の全てに、図４および図６に示すマニホールド用の第２マスキング部材９１をそれぞれ挿通する。各第２マスキング部材９１は、それぞれが同様の構成であり、ここでは、マニホールドの代表としてマニホールド５１を例に第２マスキング部材９１について説明する。

第２マスキング部材９１は、マニホールド５１の大きさおよび矩形の形状に対応して、硬質の四角柱で構成されている。第２マスキング部材９１の高さは、未接合状態のまま積層する複数の単電池２の高さ（厚み）よりも長く形成されている。マニホールド５１に挿通された第２マスキング部材９１は、各単電池２のマニホールド５１内の第１マスキング部材８１の突出部位８２を撓ませながら、複数の単電池２に亘って延在する。第２マスキング部材９１をマニホールド５１に挿通することによって、モールド時の成形樹脂９４がマニホールド５１に流入することが阻止される。

次の工程となるモールド工程では、図７に示すように、第２マスキング部材９１を挿通した複数の単電池２を型９２内に投入すると共に、型９２内に液状の成形樹脂９４（成形素材）を所定圧力で流し込む。成形樹脂９４は、複数の単電池２の周辺部を周方向に亘って流動する。このとき、第１シール部材１３ａ，１３ｂによって、ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとの間において、単電池２の内方向（ガス流路３１ａ、３１ｂ）への成形樹脂９４の流入が防止される。

また成形樹脂９４の注入の際は、第２シール部材１３ｃによって、隣接する単電池２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間において、単電池２の内方向（冷却流路３２）への成形樹脂９４の流入が防止される。一方で、第１シール部材１３ａ、１３ｂおよび第２シール部材１３ｃは、セパレータ１２ａ，１２ｂに形成された規制部位７１によって、成形樹脂９４の注入時に単電池２の内方向へ移動されることを規制される。

さらに成形樹脂９４の注入の際は、第１マスキング部材８１および第２マスキング部材９１によって、各連絡通路（６１〜６６）および各マニホールド（４１〜４３、５１〜５３）への成形樹脂９４の流入が防止される。このように、上記構成によって、各セパレータ１２ａ，１２ｂに形成した流体の各通路（３１ａ，３１ｂ，３２,４１〜４３、５１〜５３，６１〜６６）への成形樹脂９４の流入が適切に防止されるようになっている。

成形樹脂９４が冷えて硬化したら、型９２を取り外すことでモールド工程が終了する。このモールド工程によって、各単電池２は図３に示すような状態となる。すなわち、単電池２のＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間の周辺部は、モールドされた成形樹脂９４によって、周方向に亘って第１シール部材１３ａの外周面と一体的に接合される。同様に、単電池２のＭＥＡ１１とセパレータ１２ｂとの間の周辺部は、モールドされた成形樹脂９４によって、周方向に亘って第１シール部材１３ｂの外周面と一体的に接合される。また、隣接する単電池２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間の周辺部は、モールドされた成形樹脂９４によって、周方向に亘って第２シール部材１３ｃの外周面と一体的に接合される。

このように、モールド工程の終了により、単電池２を構成するＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂの３つの部品が成形樹脂９４によって同時に接合されると共に、単電池２間が成形樹脂９４によって接合される。成形樹脂９４としては、例えば、耐熱性や電気絶縁性が良好なシリコーンゴムを用いることで、成形樹脂９４の硬化時間（接合時間）は、１分程度となる。なお、成形樹脂９４としては、フッ素ゴムなど各種の樹脂を用いることができる。

ここで、成形樹脂９４によってモールドされて一体的に接合される部品間の周辺部および周方向について詳述する。単電池２に着目した場合、単電池２は、上述のように、複数の略平面状の部品（ＭＥＡ１１、セパレータ１２ａ、およびセパレータ１２ｂ）を積層して接合されるものであり、単電池２は、その面内において発電領域と非発電領域とを有する構造である。単電池２を構成する部品の「周辺部」とは、非発電領域の少なくとも一部を含む領域を意味する。換言すれば、「周辺部」とは、所定厚の略平板状の単電池２において略平板状の単電池２の周縁部に対応する。また、周方向とは、この周縁部の周囲に沿った方向を意味する。

なお、発電領域および非発電領域について詳述するに、発電領域とは、ＭＥＡ１１の電極２２ａ、２２ｂを含む領域であり、非発電領域とは、主として、発電領域の外側の領域をいい、セパレータ１２ａ，１２ｂのガス流路３１ａ，３１ｂから外れた領域をいう。

モールド工程後には、全てのマニホールド（４１〜４３、５１〜５３）から第２マスキング部材９１を取り出す。第２マスキング部材９１を取り出すと、各マニホールド（４１〜４３、５１〜５３）内には第１マスキング部材８１の一部分８２が露出し得るため、各マニホールド（４１〜４３、５１〜５３）からアクセスして、全ての第１マスキング部材８１を連絡通路（６１〜６６）から取り出す。この一連の取出し工程を経ることで、所定枚数の単電池２を積層した積層体が得られる。

燃料電池１の製造工程の最終段階では、この複数の単電池２からなる積層体を所定数製造し、それらを積層することでスタック本体３として組み立てる。そして、スタック本体３、集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８を積層し、単電池２の積層方向に所定の圧縮力を付与した状態とすることで、燃料電池１が完成する。

以上のように、燃料電池１を製造する際の単電池２の構成部品（ＭＥＡ１１、セパレータ１２ａ，１２ｂ）間の接合を、成形樹脂９４によるモールドで一体的に行うようにしている。部品間の接合に接着剤を用いた場合には、一つの単電池２あたりその硬化時間（接合時間）に例えば１０分程度を要する。しかし、本実施形態のように、成形樹脂９４による一体成形することで、単電池２あたりその接合時間を大幅に短縮することができる。しかも、所定枚数の単電池２を一体成形するため、接合時間をより一層短縮することができる。したがって、単電池２および燃料電池１の生産性（スループット）を適切に高めることが可能となる。

なお、単電池２を複数積層し、単電池２間の周辺部も成形樹脂９４によりモールドするようにしたが、もちろん一つの単電池２ずつ、その構成部品たるＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとの間の周辺部をそれぞれモールドすることも可能である。もっとも、上記したように、複数の単電池２を一括してモールドする方が、燃料電池１のするスループットを適切に高めることができる。

＜第２実施形態＞
次に、図８を参照して、第２実施形態に係る燃料電池１および単電池２について説明する。第１実施形態との主な相違点は、第１シール部材１０１ａ，１０１ｂおよび第２シール部材１０１ｃの構成と、これに関連してモールド工程で第２マスキング部材９１を用いない構成としたこと、の２点である。以下の説明では、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

第１シール部材１０１ａは、セパレータ１２ａの酸化ガスに関連する通路（ガス流路３１ａ、マニホールド４１，５１、連絡通路６１，６２）を全てＭＥＡ１１側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ａと、セパレータ１２ａの水素ガスの入口側および出口側のマニホールド４２，５２をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１２ａ，１１３ａと、セパレータ１２ａの冷却水の入口側および出口側のマニホールド４３，５３をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１４ａ，１１５ａと、で構成されている。第１サブシール部１１２ａ〜１１５ａは、それぞれ第１メインシール部１１１ａと分離している。

同様に、第１シール部材１０１ｂは、セパレータ１２ｂの水素ガスに関連する通路（ガス流路３１ｂ、マニホールド４２，５２、連絡通路６３，６４）を全てＭＥＡ１１側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ｂと、セパレータ１２ｂの酸化ガスの入口側および出口側のマニホールド４１，５１をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１６ｂ，１１７ｂと、セパレータ１２ｂの冷却水の入口側および出口側のマニホールド４３，５３をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１４ｂ，１１５ｂと、で構成されている。第１サブシール部１１４ｂ〜１１７ｂは、それぞれ第１メインシール部１１１ｂと分離している。

同様に、第２シール部材１０１ｃは、セパレータ１２ｂ（１２ａ）の冷却水に関連する通路（冷却水流路３２、マニホールド４３，５３、連絡通路６５，６６）を全て、隣接する単電池２側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ｃを有している。また、第２シール部材１０１ｃは、第１シール部材１０１ａ，１０１ｂと同様に、水素ガス用の第１サブシール部１１２ｃ、１１３ｃと、酸化ガス用の第１サブシール部１１６ｃ、１１７ｃとを、それぞれ第１メインシール部１１１ｃから分離した状態で有している。

燃料電池１を製造する工程は、第１実施形態とほぼ共通している。すなわち、先ず準備段階では、セットされたセパレータ１２ａに第１シール部材１０１ａを所定位置に設ける際に、連絡通路６１，６２のそれぞれに第１マスキング部材８１を装着しておく。その後、ＭＥＡ１１および第１シール部材１０１ｂを順に積層するように所定位置に設けると共に、セパレータ１２ｂを所定位置に積層する。この際にも、連絡通路６３，６４に第１マスキング部材８１を装着しておく。その後、セパレータ１２ｂに第２シール部材１０１ｃを設ける際にも、同様に、連絡通路６５，６６に第１マスキング部材８１を装着しておく。

このような工程を繰り返して、所定枚数からなる複数の単電池２を未接合状態のまま積層する。このとき、セパレータ１２ａ上の第１メインシール部１１１ａについては、ガス流路３１ａおよび連絡流路６１，６２の近傍のシール部位が電解質膜２１の周縁部２４に密着し、残りの部位となるマニホールド４１，５１の近傍のシール部位が、セパレータ１２ｂ側の第１サブシール部１１６ｂ，１１７ｂに密着するようになっている。セパレータ１２ｂ上の第１メインシール部１１１ｂも同様に密着する（説明は省略する。）。

この状態で上記同様のモールド工程が行われ、単電池２を構成する部品間（ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂ間）の一体的な接合がなされると共に、単電池２間の一体的な接合がなされる。本実施形態では、第１シール部材１０１ａ，１０１ｂおよび第２シール部材１０１ｃによって、成形樹脂９４が各セパレータ１２ａ，１２ｂの各種通路（３１ａ，３１ｂ，３２,４１〜４３、５１〜５３，６１〜６６）に流入することを阻止される。そして、モールド工程の終了後に、第１マスキング部材８１を取り出すことで、所定枚数の単電池２を積層した積層体が得られることになる。

以上のように、本実施形態によっても、燃料電池１を製造する際にモールドにより接合するようにしているため、単電池２および燃料電池１のスループットを適切に高めることができる。なお、第１実施形態と同様に、各セパレータ１２ａ，１２ｂは、第１シール部材１０１ａ，１０１ｂや第２シール部材１０１ｃに対応して形成されており、これらを装着するための所定の凹部や、モールド時の移動を規制するための規制部位７１などが設けられる。

第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池の単電池を分解して示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池の断面図であり、隣接する二つの単電池の構成を示す図である。 図２と同様の図であり、第１実施形態に係る燃料電池の製造方法を説明する説明図である。 第１実施形態に係る通路用の第１マスキング部材の構成を示す図であり、連絡通路に第１マスキング部材を装着した状態を示す説明図である。 第１実施形態に係るマニホールド用の第２マスキング部材の構成を示す図であり、複数の単電池のマニホールドに第２マスキング部材を挿通した状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池の製造方法のモールド工程を説明する図であり、単電池を型内に入れた状態を示す説明図である。 第２実施形態に係る燃料電池の単電池を分解して示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池、２ 単電池、３ スタック本体、１１ ＭＥＡ、１２，１２ｂ セパレータ、１３ａ，１３ｂ 第１シール部材、１３ｃ 第２シール部材、２１ 電解質膜、２２ａ，２２ｂ 電極、３１ａ，３１ｂ ガス流路、３２ 冷却水流路、４１，４２，４３ マニホールド、５１，５２，５３ マニホールド ６１，６２，６３，６４，６５，６６ 連絡通路、８１ 第１マスキング部材、９１ 第２マスキング部材、９４ 成形樹脂、１０１ａ，１０１ｂ 第１シール部材、１０１ｃ 第２シール部材

Claims (16)

1. 燃料電池の単電池を構成する複数の部品を積層してなる単電池であって、
   その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合された単電池。
2. 前記複数の部品には、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、が含まれ、
   前記ＭＥＡと前記各セパレータとの間の周辺部がそれぞれ、樹脂によりモールドされて一体的に接合された請求項１に記載の単電池。
3. 前記ＭＥＡと前記各セパレータとの間には、これらの間をシールするシール部材がそれぞれ設けられ、
   前記ＭＥＡと前記各セパレータとの間の周辺部がそれぞれ、樹脂によりモールドされて、前記各シール部材の外周面と一体的に接合された請求項２に記載の単電池。
4. 燃料電池の単電池を構成する複数の部品を積層してなる単電池であって、
   その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間に設けられ、この部品間をシールするシール部材を備え、
   前記シール部材を挟む両部品の周辺部は、周方向に亘って樹脂によりモールドされて前記シール部材の外周面と一体的に接合されており、
   前記シール部材の少なくとも外側に位置する流体の通路は、モールド時に当該通路への前記樹脂の流入を阻止するためのマスキング部材を配置可能に構成されている単電池。
5. 前記シール部材が設けられる少なくとも一部の部品間は、セパレータとＭＥＡとの間であり、
   前記マスキング部材が配置される流体の通路は、前記セパレータに形成された流体のマニホールド部である請求項４に記載の単電池。
6. 前記シール部材が設けられる少なくとも一部の部品間は、セパレータとＭＥＡとの間であり、
   前記セパレータには、
   前記ＭＥＡの電極に面するガス流路と、
   前記ガス流路に流体を導入するための入口側マニホールド部と、
   前記ガス流路と前記入口側マニホールド部とを連絡する入口側連絡通路と、
   前記ガス流路から流体を導出するための出口側マニホールド部と、
   前記ガス流路と前記出口側マニホールド部とを連絡する出口側連絡通路と、
   が形成されており、
   前記マスキング部材が配置される流体の通路は、前記入口側連絡通路および前記出口側連絡通路である請求項４に記載の単電池。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の単電池を複数積層してなる燃料電池であって、
   その複数の単電池間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合された燃料電池。
8. 単電池を複数積層してなる燃料電池であって、
   その複数の単電池間の周辺部が、周方向に亘って樹脂によりモールドされて一体的に接合された燃料電池。
9. 複数の部品を積層して燃料電池の単電池を構成する単電池の製造方法であって、
   その複数の部品のうち少なくとも一部の部品間の周辺部を、周方向に亘って樹脂によりモールドして一体的に接合するモールド工程を含む単電池の製造方法。
10. 前記モールド工程は、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを挟持すると共に流体の通路が形成された一対のセパレータと、を一体的に接合することで行われる請求項９に記載の単電池の製造方法。
11. 前記モールド工程は、前記流体の通路への前記樹脂の流入を阻止した状態で行われる請求項１０に記載の単電池の製造方法。
12. 前記モールド工程は、前記流体の通路への前記樹脂の流入を阻止するマスキング部材を、当該流体の通路に配置した状態で行われ、
    前記モールド工程の後、前記マスキング部材を前記流体の通路から取り出す取出し工程を、更に備えた請求項１１に記載の単電池の製造方法。
13. 前記マスキング部材が配置される流体の通路は、マニホールド部、または当該マニホールド部と前記ＭＥＡの電極に面するガス流路とを連絡する連絡通路である請求項１２に記載の単電池の製造方法。
14. 前記モールド工程は、前記ＭＥＡと前記セパレータとの間に設けたシール部材により前記流体の通路を囲繞するようにした状態で行われる請求項１１に記載の単電池の製造方法。
15. 単電池を複数積層して燃料電池を構成する燃料電池の製造方法であって、
    その複数の単電池間の周辺部を、周方向に亘って樹脂によりモールドして一体的に接合するモールド工程を含む燃料電池の製造方法。
16. 前記モールド工程は、前記単電池を構成する複数の部品間を、前記樹脂によりモールドして一体的に接合することを兼ねる請求項１５に記載の燃料電池の製造方法。
    
    

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