JP2008059760A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスシール性を確保するためのシール部材の位置決め精度を向上させる。
【解決手段】 燃料電池は、電解質層と、電解質層上に形成された電極と、を備える電解質・電極複合体を備える。また、電解質・電極複合体上に配置され、電解質・電極複合体上に形成されるガス流路の壁面の一部を形成するガスセパレータと、電解質・電極複合体の外周部に電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、可撓性を有し、ガスセパレータと接触することによってガスシール性を確保するシール部を備える。また、燃料電池全体に対するシール部の位置を規定するシール部位置決め部と、燃料電池全体に対するガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部とを備える。
【選択図】 図６

Description

この発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、一般に、電解質層や電極あるいはガスセパレータを含む板状部材を、所定の順序で順次積層することによって形成される。このように、燃料電池の各構成部材を積層する際には、各構成部材の重なり具合が適切になるように、各構成部材の位置決めがなされる。このような位置決めの方法の一つとして、上記板状部材を積層してスタックを形成する際に、スタックの各側面と接する位置において積層方向と平行に設けられた複数の位置決めガイド部に、上記板状部材を沿わせながら嵌め込む方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−８６２３２号公報 特開２００１−５７２２６号公報

しかしながら、スタックの各側面と接する位置に設けた位置決めガイド部に沿って各板状部材を嵌め込む場合には、特に、積層すべき各部材のうちのシール部材において、精度の良い位置決めが困難になるという問題があった。シール部材とは、燃料電池における流体流路のシール性を確保するために配置される部材であり、例えば樹脂によって形成される剛性が低い可撓性部材である。このように剛性が低い可撓性部材であるシール部材を上記位置決めガイド部に沿って積層すると、ガスセパレータ等の、より剛性の高い部材とは異なり、シール部材では撓みが生じるために、シール部を精度良く位置決めして、シール性を充分に確保することが困難となる場合があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を構成する各積層部材の位置決めをする際に、シール部材の位置決め精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、
電解質層と、該電解質層上に形成された電極と、を備える電解質・電極複合体と、
前記電解質・電極複合体上に配置され、前記電解質・電極複合体上に形成されるガス流路の壁面の一部を形成するガスセパレータと、
前記電解質・電極複合体の外周部に前記電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、可撓性を有し、前記ガスセパレータと接触することによってガスシール性を確保するシール部と、
前記燃料電池全体に対する前記シール部の位置を規定するシール部位置決め部と、
前記燃料電池全体に対する前記ガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、シール部とガスセパレータとを、それぞれ、シール部位置決め部とガスセパレータ位置決め部とによって位置決めしているため、可撓性を有するシール部と、より剛性の高いガスセパレータと、の位置決めの動作を、それぞれ適切化することができる。したがって、シール部の位置決めの精度を、より向上させることができる。

本発明の燃料電池において、前記シール部位置決め部は、前記シール部に平坦性を与える張力を生じつつ、前記シール部の位置を規定することとしても良い。

このような構成とすれば、シール部位置決め部は、シール部に平坦性を与える張力を生じつつシール部の位置を規定するため、シール部が可撓性を有していても、シール部を精度良く位置決めすることができる。また、このとき、ガスセパレータは、ガスセパレータ位置決め部によって位置決めされるため、燃料電池の組み立て時に、シール部位置決め部の構成に起因してガスセパレータを積層する動作が困難になることを抑制できる。

このような本発明の燃料電池において、前記シール部位置決め部は、前記シール部に平坦性を与える張力を生じることが可能な位置に設けられた、前記シール部を支持する複数のシール部支持部によって構成されることとしても良い。

このような構成とすれば、複数のシール部支持部によってシール部を支持するという簡便な構成により、可撓性を有するシール部に平坦性を与える張力を生じつつシール部の位置決めをすることができる。

本発明の燃料電池において、
前記シール部は、その外周形状が略多角形状に形成されており、
前記複数のシール部支持部は、前記略多角形状に形成された前記シール部の各々の角部の近傍に設けられていることとしても良い。

このように、各々の角部の近傍にシール部支持部を設けることで、外周形状が略多角形状であるシール部において、平坦性を与える張力を生じることができる。

本発明の燃料電池において、
前記複数のシール部支持部の各々は、
前記シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体と、前記ガスセパレータと、を含む部材が積層される積層方向に平行に延出して設けられており、
前記シール部に形成された位置決め穴を貫通することによって前記シール部を支持することとしても良い。

このような構成とすれば、シール部に設けられた位置決め穴をシール部支持部に貫通させることで、シール部に平坦性を与える張力を生じつつ、燃料電池全体に対するシール部の位置を規定することができる。

このような本発明の燃料電池において、前記ガスセパレータ位置決め部は、前記複数のシール部支持部の一部であって、前記ガスセパレータに形成された位置決め穴を貫通する複数のシール部支持部によって構成されることとしても良い。

このような構成とすれば、ガスセパレータ位置決め部として、シール部位置決め部を構成するシール部支持部の一部を利用するため、燃料電池全体の構成を簡素化することができる。また、ガスセパレータ位置決め部は、シール部位置決め部よりも少ない箇所において位置決めすることになるため、ガスセパレータの積層の動作を容易化することができる。

このような本発明の燃料電池において、
前記シール部は、その外周が略四角形状に形成されており、
前記シール部位置決め部を構成する前記複数のシール部支持部は、前記略四角形状に形成された前記シール部における４つの角部の各々の近傍に設けられ、
前記ガスセパレータ位置決め部は、前記４つの角部の内の対向する２つの角部に設けられた前記シール部支持部によって構成されることとしても良い。

このような構成とすれば、外周が略四角形状に形成されたシール部において、平坦性を与える張力を効率良く生じさせることができると共に、ガスセパレータにおいては、充分な精度で位置決めできる範囲で、位置決めに係る箇所の数を効果的に抑え、積層の動作を容易化することができる。

あるいは、本発明の燃料電池において、
前記ガスセパレータ位置決め部は、前記シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体と、前記ガスセパレータと、を含む部材を積層して成る積層体の側壁に接して、前記積層体の積層方向に平行に設けられていることとしても良い。

このような構成とすれば、積層体の積層方向に平行に設けられたガスセパレータ位置決め部に沿ってガスセパレータを積層することによって、燃料電池全体に対するガスセパレータの位置を規定することができ、ガスセパレータを積層する動作を容易化することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、燃料電池の組み立て時における構成部材の位置決め方法などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．燃料電池の組み立て時における位置合わせ：
Ｃ．第１実施例の変形例：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池は、図１に示すように、複数の単セル２０を備えると共に、各々の単セル２０間にガスセパレータ３０を介在させつつ単セル２０を積層させた構造を有している。

単セル２０は、電解質膜を含むＭＥＡ（膜−電極複合体、Membrane Electrode Assembly）２２と、ＭＥＡ２２を挟持するように配置されたガス流路形成部２４，２５を備える。ここで、ＭＥＡ２２は、電解質膜と、電解質膜を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソードおよびアノードと、上記各々の触媒電極上に配置されたガス拡散層と、を備えている（図示せず）。

電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いて触媒ペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。ガス拡散層は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。触媒電極を表面に形成した電解質膜と、ガス拡散層とは、例えばプレス接合により一体化されてＭＥＡ２２となる。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしても良い。

ガス流路形成部２４，２５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成することができ、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。このようなガス流路形成部２４，２５は、ＭＥＡ２２とガスセパレータ３０との間に形成される空間を占めるように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過する単セル内ガス流路として機能する。すなわち、カソードとガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部２４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路として機能する。また、アノードとガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部２５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路として機能する。

ここで、隣り合うガスセパレータ３０間であって、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部２４，２５の外周部には、可撓性および弾性を有するシール部２７が設けられている。シール部２７は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡ２２と一体で形成されている。このようなシール部２７は、例えば、シール部２７に対応する形状の金型のキャビティ内にＭＥＡ２２の外周部が収まるようにＭＥＡ２２を配置し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、ＭＥＡ２２とシール部２７とが隙間なく接合される。あるいは、シール部２７は、ＭＥＡ２２と一体形成するだけでなく、ＭＥＡ２２に加えてさらにガス流路形成部２４，２５と一体形成しても良い。

図２は、ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７の概略構成を表わす平面図である。図２に示すように、シール部２７は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた１０個の穴部と、中央部に設けられてＭＥＡ２２が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。このようなシール部２７は、図１に示すように所定の凹凸形状を有している。すなわち、シール部２７では、上記１０個の穴部のうちの６つの穴部（後述する穴部４０〜４５）、および略四角形の穴部を取り囲む位置に、略同一の高さを有する凸部であるリップ２８が設けられている（図１参照）。このリップ２８によってシール部２７は、隣接するガスセパレータ３０と接触する。シール部２７がガスセパレータ３０に接触する接触位置であるリップ２８が設けられた位置を、図１の断面図および図２の平面図において、シール線ＳＬとして示している。シール部２７は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シール線ＳＬの位置においてシール部２７によってガスシール性を実現可能となる。なお、全体として略四角形状であるシール部２７の四つの角部の内の対抗する一組の角部においては、角部から延出する形状の突起部６６，６７が設けられている。突起部６６，６７の各々には、シール部２７の外周部に設けられた既述した１０個の穴部の内の穴部６４あるいは穴部６５が形成されている（図２参照）。これら２つの穴部は、ガスセパレータ３０および単セル２０を含む部材を積層して燃料電池を組み立てる際に、シール部２７の燃料電池全体に対する位置を規定するためのものである。シール部２７の位置合わせの動作については、後述する。なお、図２では、シール部２７と一体化されたＭＥＡ２２における露出している部分を、ハッチを付して示している。

ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部２４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部２５と接するアノード側プレート３３と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３に挟持される中間プレート３２と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３２、アノード側プレート３３の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。図３は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図４は、アノード側プレート３３の形状を示す説明図であり、図５は、中間プレート３２の形状を示す説明図である。

カソード側プレート３１、アノード側プレート３３は、いずれも、その外周部においてシール部２７と同様の位置に、８つの穴部を備えている。これらの８つの穴部の内の６つの穴部（穴部４０〜４５）は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。

ガスセパレータ３０を構成する各プレートおよびシール部２７では、略四角形状である外周の一辺（図３において辺３５と示す）の近傍に穴部４０が形成されている。また、近傍に穴部４０が形成された辺と対向する辺（図３において辺３６と示す）の近傍には、穴部４１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺（図３において辺３７と示す）の近傍には穴部４２，４４が形成されており、他方の辺（図３において辺３８と示す）の近傍には穴部４３，４５が形成されている。なお、中間プレート３２は、上記６つの穴部のうち、穴部４４，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔４８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

上記各薄板状部材が備える穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ₂ inと表わす）、穴部４１は、各単セルから排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ₂ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ₂ inと表わす）、穴部４３は、各単セルから排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。

また、カソード側プレート３１は、穴部４０の近傍に、穴部４０よりも小さく、穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を備えており、穴部４１の近傍には、同様に、穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を備えている（図３参照）。アノード側プレート３３は、穴部４２の近傍に、穴部４２よりも小さく、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を備えており、穴部４３の近傍には、同様に、穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を備えている（図４参照）。中間プレート３２においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３２の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部側へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３２とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３２では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている（図５参照）。

燃料電池の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３２の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、ガス流路形成部２４内に形成される単セル内酸化ガス流路へと流入する。単セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部２４に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部２４からガス拡散層を介してカソードに至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部２４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３２の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３２の連通部５６およびアノード側プレート３３の連通孔５２が形成する空間を介して、ガス流路形成部２５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入し、アノードにおける電気化学反応に供される。単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部２５から、アノード側プレート３３の連通孔５３および中間プレート３２の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

図２ないし図５においてＡ−Ａ断面の位置を示しているが、このＡ−Ａ断面の位置は、図１に示した断面図に相当する位置を表わしている。図１では、酸化ガス供給マニホールドから、連通部５４および連通孔５０を介してガス流路形成部２４内へと酸化ガスが供給される様子と、ガス流路形成部２４から、連通孔５１および連通部５５を介して酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子とが、それぞれ矢印で表わされている。

なお、中間プレート３２は、さらに、ガス流路形成部と重なる領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔４８を備えている。これらの冷媒孔４８の端部は、中間プレート３２を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔４８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

ガスセパレータ３０を構成する３枚のプレートと、シール部２７とは、上記した流体のマニホールドとなる穴部４０〜４５の他に、さらに２つの穴部５８，５９を備えている。穴部５８，５９は、略四角形状である上記した各板状部材において、対向する一組の角の近傍に設けられている。すなわち、図３に示した辺３５と辺３８とが成す角の近傍には、穴部５８が形成され、図３に示した辺３６と辺３７とが成す角の近傍には、穴部５９が形成されている。これら２つの穴部は、ガスセパレータ３０および単セル２０を含む部材を積層して燃料電池を組み立てる際に、ガスセパレータ３０の燃料電池全体に対する位置を規定するためのものである。ガスセパレータ３０の積層時の位置合わせの動作については、後述する。

なお、ガスセパレータ３０は、シール部２７とは異なり、突起部６６，６７を備えていない。そのため、シール部２７の突起部６６，６７に形成される穴部６４，６５に対応する穴部も有していない。

Ｂ．燃料電池の組み立て時における位置合わせ：
図６は、本実施例の燃料電池の組み立ての様子を表わす斜視図である。本実施例の燃料電池を組み立てるには、まず、既述したように、３枚のプレートを積層してガスセパレータ３０を作製する。また、既述したようにＭＥＡ２２とシール部２７とを一体形成すると共に、ＭＥＡ２２上に配置されるようにガス流路形成部２４，２５をシール部２７に嵌め込んで固着させ、単セル２０を形成する。本実施例では、このように予め作製したガスセパレータ３０と単セル２０とを交互に積層することによって、燃料電池を組み立てる。

ここで、本実施例では、図６に示すように、エンドプレート６２上に、ガスセパレータ３０およびシール部２７を積み上げている。エンドプレート６２は、ガスセパレータ３０およびシール部２７よりも一回り大きな略四角形状に形成されて、例えばステンレス鋼のような剛性に優れた材料により形成される板状部材である。このエンドプレート６２には、４つの角部の各々の近傍において、エンドプレート６２面に対して略垂直に、すなわち、ＭＥＡ２２やガスセパレータ３０を含む部材から成る積層体の積層方向に平行に延出するガイドピン６０が取り付けられている。これらのガイドピン６０は、後述するように、ガスセパレータ３０およびシール部２７に形成された穴部５８，５９、および、シール部２７に形成された穴部６４，６５に係合させるための構造である。ガイドピン６０は、絶縁性材料、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂によって形成することができる。あるいは、例えば表面に絶縁性材料から成る層を設けることにより、燃料電池内での短絡が防止されていれば、ガイドピン６０自体は金属材料によって形成しても良い。なお、実際に燃料電池を組み立てる際には、エンドプレート６２上には、まず、絶縁板や、出力端子を備える集電板が積層されるが、これらについては図示を省略している。

ガスセパレータ３０と単セル２０とを交互に積層して燃料電池を組み立てる際には、剛性を有する金属製の板状部材であるガスセパレータ３０は、対向する２つの角部の近傍に形成された穴部５８，５９をガイドピン６０によって貫通させることにより、その積層位置が定められる。すなわち、ガスセパレータ３０に形成された穴部５８，５９を貫通する２本のガイドピン６０は、燃料電池全体に対するガスセパレータ３０の位置を規定するガスセパレータ位置決め部として機能する。

これに対して、ＭＥＡ２２と一体化されたシール部２７は、４つの角部の近傍に形成された穴部５８，５９および穴部６４，６５をガイドピン６０に貫通させることにより、その積層面に対する位置が定められる。すなわち、シール部２７に形成された穴部５８，５９，６４，６５を貫通する各々のガイドピン６０は、シール部２７を支持するシール部支持部として働く。そして、穴部５８，５９，６４，６５を貫通する４本のガイドピン６０は、全体として、燃料電池全体に対するシール部２７の位置を規定するシール部位置決め部として機能する。

ここで、シール部２７は、可撓性および弾性を有する部材であるため、撓み易い性質を有している。このようにシール部２７が撓むと、シール部２７全体を精度良く位置合わせすることが困難となる。しかしながら、シール部２７は、全体が延びる性質をも有しているため、シール部２７が撓んでいても、全体を延ばしつつ、穴部５８，５９および穴部６４，６５をガイドピン６０に貫通させることができる。ここで、ガイドピン６０は、略四角形状のシール部２７の四隅のそれぞれの近傍に設けられているため、各穴部をガイドピンで貫通させてシール部２７を支持することにより、シール部２７全体において、略均一な、シール部２７を平坦な状態に保とうとする張力がかかる状態となる。

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、シール部２７は、シール部２７が備える穴部５８，５９，６４，６５がガイドピン６０に貫通されることによって、シール部２７に平坦性を与える張力を生じる状態で位置決めされるため、シール部２７が可撓性および弾性を有する部材であっても、シール部２７を精度良く積層することができる。このように、シール部２７を積層する際の精度を高めることにより、シール部２７の撓みの影響を受けることなく、シール部２７が備えるリップ２８を精度良く配置することが可能になる。

ここで、単セル２０を積層する際には、特に、シール部２７がガスセパレータ３０に接触する接触位置であるリップ２８の位置が厳密に規定され、図１に示したシール線ＳＬが、積層されたすべての単セル２０で、積層方向に平行に精度良く重なることが望ましい。リップ２８の位置がずれると、ずれたリップ２８においては、ガスセパレータ３０に対してガスセパレータ３０面に垂直方向の力を充分に加え難くなり、シール性が低下する可能性があるためである。特に、リップ２８の位置がリップ２８の幅以上にずれると、シール線ＳＬにおいて積層方向に充分な圧力が掛からなくなり、燃料電池全体で所望のシール性が確保できなくなる可能性がある。本実施例では、上述したようにシール部２７の全体を平坦に保つ張力を掛けつつシール部２７を各ガイドピン６０に嵌め込むことによって、リップ２８の位置の精度を確保しているため、燃料電池全体においても、リップ２８の位置を積層方向に精度良く重ねて配置することができる。

また、本実施例では、ガスセパレータ３０は、２つの穴部５８，５９をガイドピン６０に嵌め込むことによって燃料電池全体に対して位置決めされるため、積層の精度を確保しつつ、剛性を有する部材であるガスセパレータ３０を嵌め込む動作を容易に行なうことができる。

ここで、回転して位置ずれすることなくガスセパレータ３０を位置決めするには、２箇所以上で位置決めする必要がある。そして、位置決め箇所が増えるほど、位置決めの信頼性は増す。しかしながら、ガスセパレータ３０では、積層位置においてある程度のずれが許容される。これは、ガスセパレータ３０においては、積層位置がずれると、ガスセパレータ３０の周辺部に設けられた各穴部が形成する流体のマニホールドの壁面にがたつきが生じるが、ずれが僅かであれば燃料電池の機能に支障は生じないためである。そのため、本実施例では位置決め箇所を２箇所に抑えることで、充分な積層精度を確保している。また、位置決め箇所が増えるほど、ガスセパレータ位置決め部の精度の僅かなずれによって、剛性を有するガスセパレータ３０の嵌め込みの動作が困難になるが、位置決め箇所を２箇所に抑えることで、ガスセパレータ３０の嵌め込みの動作を容易にしている。また、位置決め箇所が増えるほど、位置決めに係る穴部の形成に対してより高い精度が要求されることになるが、位置決め箇所の数を抑えることで、穴部の形成に要求される精度を抑えることができる。さらに本実施例では、ガスセパレータ位置決め部として、シール部位置決め部を構成する４本のガイドピン６０の内の２本を用いているため、燃料電池全体の構成を簡素化することができる。

このように、本実施例では、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部２４，２５と一体化したシール部と、ガスセパレータと、を交互に積層すれば良く、予め単セルとガスセパレータとを一体化して用意する必要がない。そのため、ガスセパレータとシール部とを予め固着させる必要がなく、燃料電池の組み立ての動作を簡素化できる。さらに、本実施例では、ガスセパレータ３０内にセル間冷媒流路を形成している。そのため、単セル２０とガスセパレータ３０とを、それぞれガイドピン６０に嵌め込みながら交互に積層するという燃料電池の組み立て動作の際に、冷媒流路の形成を考慮する必要がなく、組み立て動作をさらに簡素化することができる。

また、本実施例の燃料電池は、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる連通路（連通孔５０〜５３および連通部５４〜５７によって形成される連通路）を内部に形成したガスセパレータ３０を備えている。そのため、ガスセパレータ３０の表面において、ガスマニホールド用穴である穴部４０〜４５の近傍に、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる流路を形成するための凹凸形状を形成する必要がない。したがって、リップ２８は、各穴部４０〜４５を取り囲む形状に設ければ良く、ガスマニホールドと単セル内ガス流路とを連通させる構造に起因してリップの形状が複雑化することがない。

なお、ガスセパレータにおいて、ＭＥＡとの間に単セル内ガス流路を形成するための溝などの凹凸形状を表面に形成することも可能である。このような場合にも、ＭＥＡと一体形成されたシール部と、ガスセパレータと、のそれぞれを積層して燃料電池を組み立てる際に、既述したシール部位置決め部およびガスセパレータ位置決め部を設けることで、実施例と同様の効果が得られる。

Ｃ．第１実施例の変形例：
図７は、第１実施例の変形例としての燃料電池が備える構成部材の概略構成を表わす平面図である。図７（Ａ）は、ＭＥＡ２２と一体化されたシール部１２７を表わし、図７（Ｂ）は、ガスセパレータ１３０を表わす。第１実施例の変形例としての燃料電池は、ガスセパレータ位置決め部およびシール部位置決め部を構成する穴部およびガイドピンの配置以外は、第１実施例の燃料電池と同様の構成を有しているため、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。

シール部１２７は、シール部２７と同様に、ガイドピンによって貫通される穴部５８，５９，６４，６５を有するが、シール部２７とは異なり、突起部６６，６７を有することなくガスセパレータと同様の四角形状に形成されている。そのため、穴部６４，６５は、このような四角形状の角部の近傍に形成されている。また、ガスセパレータ１３０は、ガスセパレータ３０とは異なり、穴部５８，５９が形成される角部とは異なる２つの角部の近傍に、それぞれ、穴部１６４，１６５が形成されている。この穴部１６４，１６５は、シール部１２７の穴部６４，６５に対応する位置に形成されているが、穴部６４，６５が嵌め込まれるガイドピン６０の外周よりも一回り大きく形成されている。

以上のように構成されたシール部１２７に、ガス流路形成部２４，２５を嵌め込むと共に、ガスセパレータ１３０と交互に、ガイドピン６０を備えるエンドプレート６２上に積層することで、第１実施例と同様の効果が得られる。すなわち、シール部１２７においては、４本のガイドピン６０がシール部位置決め部として機能して、シール部１２７に対して平坦性を与える張力を生じるようにシール部１２７を支持して燃料電池全体に対するシール部１２７の位置を規定するため、シール部１２７の位置決め精度を高めることができる。また、ガスセパレータ１３０では、２本のガイドピン６０のみがガスセパレータ位置決め部として機能して、角部に設けた４つの穴部の内の２つの穴部でのみ位置決めを行ない、他の２つの穴部は位置決めに寄与しない。そのため、ガスセパレータにおいて、充分な位置決め精度を確保しつつ、嵌め込みの動作を容易に行なうことができる。さらに、シール部１２７に突起部６６，６７を設けないことにより、燃料電池全体を、第１実施例に比べて小型化することができる。

Ｄ．第２実施例：
既述した実施例では、燃料電池全体に対するガスセパレータの位置決めは、ガスセパレータに形成した穴部５８，５９を貫通するガイドピン６０によって行なっているが、異なる構成のガスセパレータ位置決め部を設けることとしても良い。図８は、異なるガスセパレータ位置決め部を備える第２実施例の燃料電池の構成を表わす斜視図である。第２実施例の燃料電池は、ガスセパレータ位置決め部以外は、第１実施例あるいはその変形例の燃料電池と同様の構成を備えており、共通する部分には第１実施例およびその変形例と同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

第２実施例の燃料電池が備えるガスセパレータ２３０は、第１実施例の変形例としての燃料電池が備えるガスセパレータ１３０と同様に、略四角形状に形成されると共に、その４つの角部の各々の近傍に、ガイドピン６０に嵌め込むための穴部が形成されている。これらの穴部１５８，１５９，１６４，１６５は、ガスセパレータ１３０に形成された穴部１６４，１６５と同様に、ガイドピン６０の外周よりも一回り大きく形成されている。そのため、穴部１５８，１５９，１６４，１６５の各々をガイドピン６０に嵌め込んでも、ガスセパレータ２３０が正確に位置決めされることはない。

ここで、第２実施例の燃料電池では、エンドプレート２６２において、外形基準ガイド２６０が設けられている。外形基準ガイド２６０は、ガスセパレータ３０および単セル２０と略同一形状のエンドプレート２６２の４つの辺のそれぞれにおいて、エンドプレート２６２の外側から各辺に沿って、エンドプレート２６２面に対して垂直になるように、エンドプレート２６２に取り付けられた薄板状部材である。燃料電池を組み立てる際には、これら４つの外形基準ガイド２６０とガスセパレータ２３０の外周とを接触させつつ、ガスセパレータ２３０に設けた穴部１５８，１５９，１６４，１６５の各々をガイドピン６０によって貫通させ、４つの外形基準ガイド２６０で囲まれた内部にガスセパレータ２３０を嵌め込めばよい。これにより、燃料電池全体に対して、剛性を有するガスセパレータ３０を位置決めすることができる。

また、第２実施例の燃料電池が備えるシール部は、第１実施例の変形例が備えるシール部１２７と同様の構成を備えている。すなわち、突起部６６，６７を有しない略四角形状に形成されると共に、４つの角部の各々の近傍に、シール部位置決め部である４本のガイドピン６０によって貫通される穴部５８，５９，６４，６５が設けられている。

以上のような構成とすることで、第１実施例と同様の効果が得られる。すなわち、シール部においては、シール部に対して平坦性を与える張力を生じるようにシール部を支持して燃料電池全体に対するシール部の位置を規定するため、シール部の位置決め精度を高めることができる。また、ガスセパレータ２３０では、ガスセパレータ位置決め部である外形基準ガイド２６０によって位置決めを行なうため、充分な位置決め精度を確保しつつ、嵌め込みの動作を容易に行なうことができる。なお、ガスセパレータ位置決め部は、剛性を有するガスセパレータを、ある程度の精度で積層時に位置決め可能であればよく、外形基準ガイドの形状は、図８とは異なる形状であっても良い。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
シール部やガスセパレータ、あるいは、これらを燃料電池全体に対して位置決めする位置決め部の構成は、種々の変形が可能である。例えば、第１および第２実施例では、シール部およびガスセパレータを略四角形状に形成しているが、異なる形状としても良い。例えば、シール部およびガスセパレータを、略四角形状以外の略多角形状に形成しても良い。この場合には、略多角形状の各々の角部の近傍に、位置決め穴としての穴部を形成すると共に、エンドプレート上には、これらの位置決め穴に応じた位置に、積層方向に延出するシール部支持部を設ければ良い。あるいは、シール部およびガスセパレータを、略円形状や、略楕円形状に形成しても良い。この場合には、円や楕円の周に沿って、略等間隔に位置決め穴を形成する共に、エンドプレート上には、これらの穴部に対応する位置にシール部支持部を設ければ良い。

また、第１および第２実施例では、シール部支持部は、シール部に設けた穴部を貫通することによってシール部を支持しているが、異なる構成としても良い。シール部位置決め部が、シール部を支持することによってシール部に平坦性を与える張力を生じることが可能な位置に設けられた複数の支持部を有するならば、可撓性と弾性を有するシール部材を精度良く位置決めすることができる。そして、シール部に設けられ、ガスセパレータと接触することによってシール性を実現するリップを、積層方向に精度良く重ね合わせることができる。

このように、シール部位置決め部の構成が実施例とは異なる場合であっても、シール部位置決め部とは異なる構成のガスセパレータ位置決め部により、充分な位置決め精度を確保しつつ、剛性を有するガスセパレータの積層の動作を容易化すればよい。例えば、第１実施例と同様に、シール部位置決め部が備える複数の支持部のうちの一部の支持部を利用して、ガスセパレータ位置決め部を構成すれば良い。このように、シール部よりも少ない位置でガスセパレータを位置決めすることにより、剛性を有するガスセパレータの積層の動作を容易化でき、一部の支持部を共通とすることで、燃料電池全体の構成を簡素化できる。あるいは、第２実施例のように、シール部位置決め部とは別体で設けた他のガスセパレータ位置決め部を設けても良い。このとき、ガスセパレータ位置決め部は、第２実施例のように、ガスセパレータ位置決め部の外側に接触して位置を規定する構成としても良く、あるいは、ガスセパレータに設けた穴部を貫通するガイドピンのように、ガスセパレータに係合してガスセパレータを支持する構成としても良い。ガスセパレータに係合して支持する構成の場合には、シール部位置決め部を構成する支持部よりも支持位置の数を少なく設けることで、剛性を有するガスセパレータの積層の動作を容易化することができる。

Ｅ２．変形例２：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。電解質・電極複合体と一体形成されるシール部とガスセパレータとを積層して成る燃料電池であれば、本発明を適用することができる。

第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 シール部２７の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３３の形状を示す説明図である。 中間プレート３２の形状を示す説明図である。 燃料電池の組み立ての様子を表わす斜視図である。 第１実施例の変形例としての燃料電池が備える構成部材の概略構成を表わす平面図である。 第２実施例の燃料電池の構成を表わす斜視図である。

符号の説明

２０…単セル
２２…ＭＥＡ
２４，２５…ガス流路形成部
２７，１２７…シール部
２８…リップ
３０，１３０，２３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…中間プレート
３３…アノード側プレート
３５〜３８…辺
４０〜４５…穴部
４８…冷媒孔
５０〜５３…連通孔
５４〜５７…連通部
５８，５９，６４，６５…穴部
６０…ガイドピン
６２，２６２…エンドプレート
６６，６７…突起部
１５８，１５９，１６４，１６５…穴部
２６０…外形基準ガイド

Claims (10)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、該電解質層上に形成された電極と、を備える電解質・電極複合体と、
   前記電解質・電極複合体上に配置され、前記電解質・電極複合体上に形成されるガス流路の壁面の一部を形成するガスセパレータと、
   前記電解質・電極複合体の外周部に前記電解質・電極複合体と一体で形成されると共に、可撓性を有し、前記ガスセパレータと接触することによってガスシール性を確保するシール部と、
   前記燃料電池全体に対する前記シール部の位置を規定するシール部位置決め部と、
   前記燃料電池全体に対する前記ガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部と
   を備える燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記シール部位置決め部は、前記シール部に平坦性を与える張力を生じつつ、前記シール部の位置を規定する
   燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記シール部位置決め部は、前記シール部に平坦性を与える張力を生じることが可能な位置に設けられた、前記シール部を支持する複数のシール部支持部によって構成される
   燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、その外周形状が略多角形状に形成されており、
   前記複数のシール部支持部は、前記略多角形状に形成された前記シール部の各々の角部の近傍に設けられている
   燃料電池。
5. 請求項３または４記載の燃料電池であって、
   前記複数のシール部支持部の各々は、
   前記シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体と、前記ガスセパレータと、を含む部材が積層される積層方向に平行に延出して設けられており、
   前記シール部に形成された位置決め穴を貫通することによって前記シール部を支持する
   燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータ位置決め部は、前記複数のシール部支持部の一部であって、前記ガスセパレータに形成された位置決め穴を貫通する複数のシール部支持部によって構成される
   燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、その外周が略四角形状に形成されており、
   前記シール部位置決め部を構成する前記複数のシール部支持部は、前記略四角形状に形成された前記シール部における４つの角部の各々の近傍に設けられ、
   前記ガスセパレータ位置決め部は、前記４つの角部の内の対向する２つの角部に設けられた前記シール部支持部によって構成される
   燃料電池。
8. 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータ位置決め部は、前記シール部と一体形成された前記電解質・電極複合体と、前記ガスセパレータと、を含む部材を積層して成る積層体の側壁に接して、前記積層体の積層方向に平行に設けられている
   燃料電池。
9. 電解質層と該電解質層上に形成された電極とを備える電解質・電極複合体と一体形成され、燃料電池内部におけるガスシール性を確保するためのシール部と、前記電解質・電極複合体上に配置されることで、前記電解質・電極複合体上に形成されるガス流路の壁面の一部を形成するガスセパレータと、を含む部材を、所定の順序で積層して燃料電池を製造する方法であって、
   前記燃料電池全体に対する前記シール部の位置を規定するシール部位置決め部によって、前記シール部を位置決めしつつ積層する第１の工程と、
   前記燃料電池全体に対する前記ガスセパレータの位置を規定するガスセパレータ位置決め部によって、前記ガスセパレータを位置決めしつつ積層する第２の工程と
   を備える燃料電池の製造方法。
10. 請求項９記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記第１の工程は、前記シール部位置決め部によって、前記シール部に平坦性を与える張力を生じるように前記シール部を支持する
    燃料電池の製造方法。

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