JP2008130357A - 燃料電池、燃料電池を構成するアッセンブリ、および、燃料電池を構成するシール一体部材 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック構造の燃料電池においてクロスリークを抑制する。
【解決手段】複数個積層されることにより燃料電池を構成するアッセンブリは、セパレータと、積層部材と、シール部材とを備える。積層部材は、セパレータの一の側に配置された電解質膜と、電解質膜とセパレータとの間に配置された第１の拡散層と、電解質膜の第１の拡散層とは反対側に配置された第２の拡散層と、を少なくとも含む。シール部材は、セパレータの一の側の面における積層部材が配置された領域を囲む周囲領域に接着または密着していると共に積層部材の端部と一体化している支持部と、支持部上に形成され、積層されたときに積層方向に押圧されるリブと、を有する。支持部と一体化している積層部材の端部において、電解質膜と、第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちの少なくとも一つとが、リブと積層方向に重なり合う。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池、燃料電池を構成するアッセンブリ、および、燃料電池を構成するシール一体部材に関する。

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引き起こすことにより、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、略平板状の電解質膜を含む積層部材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。

ところで、上記スタック構造の燃料電池として、膜電極接合体を両面からガス拡散層で挟んでなる積層部材の端部にシール部材を一体成形する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−４２８３６号公報 国際公開ＷＯ０２／００１６５８号公報 特開２００２−１２４２７６号公報 特開２００６−２１６４２４号公報 特開２００３−６８３１９号公報 特開２００５−３２７５１４号公報

しかしながら、上記従来技術では、一方の反応ガス（例えば、酸化ガス）が、電解質膜とシール部材との間を通って、他方の反応ガス（例えば、燃料ガス）と混合してしまう現象、いわゆるクロスリークを抑制する機能が十分であるとは言えなかった。

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においてクロスリークを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、複数個積層されることにより燃料電池を構成するアッセンブリを提供する。第１の態様に係るアッセンブリは、セパレータと、前記セパレータの一の側に配置された電解質膜と、前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置された第１の拡散層と、前記電解質膜の前記第１の拡散層とは反対側に配置された第２の拡散層と、を少なくとも含む積層部材と、前記セパレータの一の側の面における前記積層部材が配置された領域を囲む周囲領域に接着または密着していると共に前記積層部材の端部と一体化している支持部と、前記支持部上に形成され、積層されたときに積層方向に押圧されるリブと、を有するシール部材と、を備え、前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記電解質膜と、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちの少なくとも一つとが、前記リブと積層方向に重なり合う。

第１の態様に係るアッセンブリによれば、積層時にリブに加えられる押圧力によりシール部材と拡散層との間、拡散層と電解質膜との間のシール性がそれぞれ確保される。この結果、上述したクロスリークを抑制することができる。また、シール部材成型時に拡散層が電解質膜を支持するので、精度良くシール材を成型できる。

第１の態様に係るアッセンブリにおいて、前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちのいずれか一つが、前記リブと積層方向に重なり合い、他の一つが前記リブと積層方向に重なり合わなくても良い。こうすれば、リブに加えられる押圧力により拡散層が電解質膜に突き刺さって第１の拡散層と第２の拡散層が短絡してしまうことを抑制することができる。

第１の態様に係るアッセンブリにおいて、前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記第１の拡散層が前記リブと積層方向に重なり合い、前記第２の拡散層が前記リブと積層方向に重なり合わなくても良い。こうすれば、リブ下のシール部材の量を確保してリブの変形量の低下を抑制できる。この結果、リブのシール性を向上することができる。

第１の態様に係るアッセンブリにおいて、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちの少なくとも一つには、前記リブと積層方向に重なり合う部分に、第１の貫通孔が設けられており、前記第１の貫通孔は、前記シール部材で埋められていても良い。こうすれば、リブ下のシール部材の量を確保してリブの変形量の低下を抑制できる。この結果、リブのシール性を向上することができる。

第１の態様に係るアッセンブリにおいて、前記電解質膜には、前記第１の貫通孔と積層方向に重なり合う部分に、第２の貫通孔が設けられており、前記第２の貫通孔は、前記シール部材で埋められていても良い。こうすれば、さらに、リブ下のシール部材の量を確保してリブの変形量の低下を抑制できる。この結果、リブのシール性をより向上することができる。

第１の態様に係るアッセンブリにおいて、前記第２の貫通孔の内壁は、積層方向から見て、前記第１の貫通孔の内壁より内側にはみ出していても良い。例えば、前記第１の貫通孔および第２の貫通孔は、積層方向から見て中心が重なり合う円型の孔であり、前記第２の貫通孔の内径は、前記第１の貫通孔の内径より小さくても良い。こうすれば、電解質膜の内壁のはみ出し部分によって、第１の拡散層と第２の拡散層との短絡を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、セパレータを挟んで複数個積層されることにより燃料電池を構成するシール一体部材を提供する。第２の態様に係るシール一体部材は、電解質膜と、前記電解質膜の一の側に配置された第１の拡散層と、前記電解質膜の他の側に配置された第２の拡散層と、を少なくとも含む積層部材と、積層されたときに積層方向に押圧されるリブを有すると共に、前記積層部材の端部と一体化しているシール部材と、を備え、前記シール部材と一体化している前記積層部材の端部において、前記電解質膜と前記第１の拡散層と前記第２の拡散層が、前記リブと積層方向に重なり合う。

第２の態様に係るシール一体部材によれば、積層時にリブに加えられる押圧力によりシール部材と拡散層との間、拡散層と電解質膜との間のシール性がそれぞれ確保される。この結果、上述したクロスリークを抑制することができる。また、シール部材成型時に拡散層が電解質膜を支持するので、精度良くシール材を成型できる。

第２の態様に係るシール一体部材において、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層には、前記リブと積層方向に重なり合う部分に、第１の貫通孔が設けられており、前記第１の貫通孔は、前記シール部材で埋められていても良い。こうすれば、リブ下のシール部材の量を確保してリブの変形量の低下を抑制できる。この結果、リブのシール性を向上することができる。

第２の態様に係るシール一体部材において、前記電解質膜には、前記第１の貫通孔と積層方向に重なり合う部分に、第２の貫通孔が設けられており、前記第２の貫通孔は、前記シール部材で埋められていても良い。こうすれば、さらにリブ下のシール部材の量を確保してリブの変形量の低下を抑制できる。この結果、リブのシール性をより向上することができる。

第２の態様に係るシール一体部材において、前記第２の貫通孔の内壁は、積層方向から見て、前記第１の貫通孔の内壁より内側にはみ出していても良い。例えば、前記第１の貫通孔および第２の貫通孔は、積層方向から見て中心が重なり合う円型の孔であり、前記第２の貫通孔の内径は、前記第１の貫通孔の内径より小さくても良い。こうすれば、電解質膜の内壁のはみ出し部分によって、第１の拡散層と第２の拡散層との短絡を抑制することができる。

本発明は、この他にも、上記第１の態様に係るアッセンブリを複数個積層して構成された燃料電池、あるいは、上記第２の態様に係るシール一体部材を、セパレータを挟んで複数個積層して構成された燃料電池を始めとして、種々の態様にて実現され得る。

以下、燃料電池、燃料電池を構成するアッセンブリ、および、燃料電池を構成するシール一体部材について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
・燃料電池の構成
本発明の第１実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１および図２は、第１実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図３は第１実施例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。

図１および図２に示すように、燃料電池１００は、アッセンブリ２００が複数個積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。図３に示すように、燃料電池１００は、アッセンブリ２００を所定枚数積層し（ステップＳ１０２）、積層されたアッセンブリ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（ステップＳ１０４）ことにより、製造される。

図１に示すように、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。

図２に加えて、図４および図５を参照しながら、アッセンブリ２００の構成について説明する。図２には、アッセンブリ２００の側面図が示されている。図４は、アッセンブリ２００の正面図（図２における右側から見た図）を示す図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

図２、図４、図５に示すように、アッセンブリ２００は、セパレータ６００と、積層部材８００と、シール部材７００とから構成されている。

先ず、セパレータ６００の構成を簡単に説明する。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。

図６〜図８は、カソードプレート４００（図６）、アノードプレート３００（図７）、中間プレート５００（図８）の形状をそれぞれ示す説明図である。図６、図７、図８は、各プレート４００、３００、５００を図２の右側から見た様子を示している。図６〜図８において、各プレート３００、４００、５００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、アッセンブリ２００において、上述した積層部材８００のうち最も小さな部材である多孔体８４０、８５０（後述）に対応する領域であり、実際に発電が行われる領域（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６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６における下端部）に、並んで配置されている。

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７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７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。

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。

各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図８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８における上下方向に、所定間隔をあけて並設されている。

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。

図９は、セパレータの正面図である。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９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が得られる。

図２、図４、図５に戻って、アッセンブリ２００の説明を続ける。図２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側の面における発電領域ＤＡに、カソード側多孔体８５０が重なるように、積層部材８００が配置され、同じ面における発電領域ＤＡを囲む外側の領域（以下、周囲領域という。）にシール部材７００が配置されている。積層部材８００は、図５に示すように、電解質膜８１０と、電解質膜８１０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、電解質膜８１０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、電解質膜８１０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、電解質膜８１０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の発電領域ＤＡに接触している。アノード側多孔体８４０は、複数のアッセンブリ２００を積層して燃料電池１００を構成した際に、他のアッセンブリ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。

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。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、上述した発電領域ＤＡに対応した大きさを有している。

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。図４に示すように、アノード側拡散層８２０は、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０より、上下方向、左右方向ともに大きい。カソード側拡散層８３０は、アノード側拡散層８２０より、上下方向、左右方向ともに、さらに僅かに大きい。図４には、アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０の外周端が破線でそれぞれ示されている。

電解質膜８１０は、図４においてその外周端を破線で示すようにカソード側拡散層８３０と、ほぼ同じ大きさを有している。以上説明したように、アノード側拡散層８２０、カソード側拡散層８３０、電解質膜８１０は、アノード側多孔体８４０、カソード側多孔体８５０より、上下方向、左右方向ともに大きい。そのため、アノード側拡散層８２０、カソード側拡散層８３０、電解質膜８１０は、多孔体８４０、８５０と積層されたときに、その外周端近傍が多孔体８４０、８５０の外周端より外側にはみ出している（図４、５）。アノード側拡散層８２０、カソード側拡散層８３０、電解質膜８１０において、多孔体８４０、８５０の外周端より外側にはみ出している部分を、それぞれの周縁部と呼ぶ。

電解質膜８１０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イオン交換膜である。電解質膜８１０は、上述したセパレータ６００の発電領域ＤＡに対応する領域、すなわち、上述した周縁部より内側の領域の両側の表面に触媒層が塗布されている（触媒層の図示は省略）。触媒層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。

シール部材７００は、支持部７１０と支持部７１０の上部に形成されたリブ７２０ａ、７００ｂとを備えている。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部材よって形成される。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。

シール部材７００の支持部７１０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における上述した周囲領域の全体に接触している（図４、図５）。シール部材７００の支持部７１０とセパレータ６００のカソードプレート４００側の面との接触面ＳＵ（図５：太線）は、所定の結合力で接着されている。

ここで所定の結合力は、アッセンブリ２００が積層・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５において細い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がセパレータ６００のカソードプレート４００側の面に対して、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。

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。

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。

リブ７２０ａ、７２０ｂは、図４に示すように、発電領域ＤＡ（図４では、アノード側多孔体８４０が配置されている領域に対応）の全周を取り囲むと共に、各マニホールド１１０〜１６０の全周を取り囲むように形成されている。リブ７２０ａ、７２０ｂは、アッセンブリ２００が積層・締結され、燃料電池１００が構成されるときに、他のアッセンブリ２００のセパレータ６００のアノード側の面に接触し、積層方向に押圧される（図５：黒塗りおよび白抜きの太い矢印）。リブ７２０ａとリブ７２０ｂは、図４に示すように、互いに分離しているわけではなく、互いに繋がっているが、本明細書では、リブ全体のうち、発電領域ＤＡの全周を取り囲む部分をリブ７２０ａとし、それ以外の部分、すなわち、各マニホールド１１０〜１６０のみを取り囲む部分をリブ７２０ｂとする。以下、本明細書において、明確に区別するため、発電領域ＤＡの全周を取り囲む部分を第１のリブ７２０ａと呼び、それ以外の部分を第２のリブ７２０ｂと呼ぶ。

支持部７１０は、図４および図５において符号ＢＢで示すように、積層部材８００の端部に含浸して一体化されている。より具体的に説明すると、積層部材８００のうちアノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、外周端の僅かな部分に、支持部７１０の成形材料（上述）が含浸している（図５）。一方、積層部材８００のうち、電解質膜８１０およびカソード側拡散層８３０およびアノード側拡散層８２０は、それぞれの周縁部が、支持部７１０の内部において、第１のリブ７２０ａの下を超えて延在している（図４、図５）。この結果、電解質膜８１０およびカソード側拡散層８３０およびアノード側拡散層８２０のそれぞれの周縁部は、積層方向（図５における上下方向）から見て、第１のリブ７２０ａと重なり合う（図４、５）。そして、カソード側拡散層８３０およびアノード側拡散層８２０の周縁部には、支持部７１０の成型材料が含浸している。この結果、積層・締結されて燃料電池が構成される際、第１のリブ７２０ａによる加えられた押圧力により、支持部７１０の内部において、支持部７１０とアノード側拡散層８２０との間、アノード側拡散層８２０と電解質膜８１０との間、電解質膜８１０とカソード側拡散層８３０との間、カソード側拡散層８３０と支持部７１０との間のシール性がそれぞれ確保される。

さらに、図５に示すように、支持部７１０の内部において、アノード側拡散層８２０の周縁部の端は、カソード側拡散層８３０および電解質膜８１０の周縁部の端より、長さＷだけ内側にされている。ここで、長さＷは、例えば、１ｍｍ程度である。これは、電解質膜８１０の端をまわりこんで、アノード側拡散層８２０の炭素繊維とカソード側拡散層８３０の炭素繊維とが接触して短絡してしまうことを抑制するためである。

以上の説明から解るように、シール部材７００は、アッセンブリ２００が積層され燃料電池１００を構成する際、そのアッセンブリ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、隣接するアッセンブリ２００のセパレータ６００との間を第１および第２のリブ７２０ａ、７２０ｂによってシールする。これにより、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体が燃料電池の外部に漏洩したり、互いに混合してしまうことを抑制している。

・燃料電池の動作
図１０を参照して、実施例に係る燃料電池１００の動作について説明する。図１０は、燃料電池の反応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１０においては、２つのアッセンブリ２００が積層された様子を図示している。図１０（ａ）は、図９におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１０（ｂ）は、右側の半分が図９におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図９におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。

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。

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１０（ａ）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８）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６）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４、９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８）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６）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。

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１０（ｂ）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８）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７）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４、９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８）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７）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。

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９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８）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。

・アッセンブリの製造方法：
図１１および図１２を参照して、上述した構成を有するアッセンブリ２００の製造方法を説明する。図１１は、アッセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。図１２は、アッセンブリの製造を説明するための図である。図１３は、成形型を示す図である。図１２は、図１３におけるＦ−Ｆ断面に対応している。

先ず、一体化成型用の成形型を準備する（ステップＳ２０２）。成形型は、図１２（ａ）に示すように、上型９１０と下型９２０を有している。下型９２０には、図１２、図１３に示すように、セパレータ６００を配置できるように、セパレータ６００の外形に合致する形状を有している。また、下型９２０には、図１２、図１３に示すように、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。

次いで、下型９２０に、セパレータ６００を配置する（ステップＳ２０４）。本実施例では、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。

次いで、下型９２０に配置されたセパレータ６００にカソード側多孔体８５０が配置される（ステップＳ２０６）。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（図６等）に配置される。

配置されたカソード側多孔体８５０に重ねて、ＭＥＧＡ８６０が配置される（ステップＳ２０８）。ＭＥＧＡ８６０は、上述した電解質膜８１０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。カソード側拡散層８３０は、電解質膜８１０のカソード側の面にぴったりと重なるようにホットプレスされる。アノード側拡散層８２０は、電解質膜８１０のアノード側の面に、その外周端が、長さＷだけ電解質膜８１０の外周端より内側に位置するようにホットプレスされる（図４、５）。ＭＥＧＡ８６０は、その周縁部がカソード側多孔体８５０の外側にはみ出すように位置決めされて、カソード側多孔体８５０上に配置される。

配置されたＭＥＧＡ８６０に重ねて、アノード側多孔体８４０が配置される（ステップＳ２１０）。アノード側多孔体８４０は、ＭＥＧＡ８６０の周縁部の内側の領域、すなわち、発電領域ＤＡに対応する領域に配置される。

こうして、セパレータ６００上に、積層部材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（ステップＳ２１２）。図１２（ｂ）には、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、セパレータ６００のカソード側の面における周囲領域（発電領域ＤＡの外側を囲む領域）の上方には、上述したアッセンブリ２００のシール部材７００の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図１２（ｂ）に示すように、セパレータ６００のカソード側の面と、下型９２０および上型９１０の内壁面と、積層部材８００の端部（アノード側多孔体８４０とカソード側多孔体８５０の端面と、ＭＥＧＡ８６０の周縁部）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。

この射出成形において、成形材料が積層部材８００の端部に含浸する（図４および図５の領域ＢＢ）ことにより、積層部材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５）の結合力が確保される。射出成形後、型開きしてアッセンブリ２００が得られる。

以上説明した本実施例によれば、図５に示すように、ＭＥＧＡ８６０（電解質膜８１０とアノード側拡散層８２０とカソード側拡散層８３０）の周縁部が積層方向から見て第１のリブ７２０ａと重なっている。この結果、積層・締結されて燃料電池が構成される際、第１のリブ７２０ａに加えられた押圧力により、支持部７１０の内部において、支持部７１０とアノード側拡散層８２０との間、アノード側拡散層８２０と電解質膜８１０との間、電解質膜８１０とカソード側拡散層８３０との間、カソード側拡散層８３０と支持部７１０との間のシール性がそれぞれ確保される。この結果、上述したクロスリークを抑制することができる。

さらに、電解質膜８１０だけが、シール部材７００の支持部７１０の内部に延在しているのではなく、ＭＥＧＡ８６０（電解質膜８１０とアノード側拡散層８２０とカソード側拡散層８３０）全体が支持部７１０の内部に延在している。電解質膜８１０のみを支持部７１０の内部に延在させる構成では、電解質膜８１０は薄く剛性も低いので、シール部材７００を射出成形するときに、電解質膜８１０の変形などが生じ、シール部材７００と電解質膜８１０の間を確実にシールすることが困難であった。しかし、本実施例では、ＭＥＧＡ８６０（電解質膜８１０とアノード側拡散層８２０とカソード側拡散層８３０）全体をシール部材７００の内部に延在させることで、射出成形時のＭＥＧＡ８６０の周縁部の変形を抑制し、所望の形状にＭＥＧＡ８６０の周縁部とシール部材７００を一体化することができ、クロスリークをより確実に抑制することができる。

さらに、シール部材７００とセパレータ６００と積層部材８００とが一体となったアッセンブリ２００を作製し、アッセンブリ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。

例えば、セパレータ６００と、積層部材８００とを別々のアセンブリにして、組み付ける場合には、例えば、１００枚のＭＥＧＡを含む燃料電池を構成しようとすると、セパレータ６００と、積層部材８００をそれぞれ１００枚ずつ、合計２００枚の部材を積層する必要がある。しかし、上述した本実施例では、１００枚のアッセンブリ２００を積層するだけで良いため製造工程が削減される。また、シール部材には、シール性を確保するため、燃料電池のたわみに追従できるように、比較的柔らかく弾性のある材料が用いられるため、従来は、積層・締結を行う際にシール部材の変形が生じ、精度の良い組み付けが困難であった。しかし、上述した本実施例では、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。

さらに本実施例によれば、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。

従来は、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に負荷されたときに、かかる負荷に抗する力はリブとセパレータ間の静止摩擦力のみである。静止摩擦力の大きさは、積層方向に負荷される締結力に比例するため、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるシール部材のずれを抑制するためには、比較的高い締結力を負荷する必要があった。燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるシール部材のずれは、シール不良をもたらすため、抑制する必要がある。

しかし、本実施例では、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７２０ａ、７２０ｂ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従来より大幅に低減することができる。

・第１実施例の変形例１：
図１４および図１５を参照して、第１実施例の変形例１について説明する。図１４は、第１実施例の変形例１におけるアッセンブリの断面図である。図１５は、第１実施例の変形例１におけるＭＧＥＡの正面図である。なお、図１４は、第１実施例を説明する際に参照した図５に対応する部分の断面を示している。また、図１５において、破線は、シール部材７００と一体化されたときに、第１のリブ７２０ａが形成される部位を示している。そして、図１５において、一点破線Ｇ−Ｇは、図１４に示す断面図に対応する部位を示している。

本変形例が、上述した第１実施例と異なる点は、ＭＥＧＡの構成のみであるので、他の構成については第１実施例と同一の符号を付してその説明を省略し、ＭＥＧＡの構成についてのみ説明する。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｂは、アノード側拡散層８２０ｂの構成が、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０と異なっている。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｂのアノード側拡散層８２０ｂは、図１５における上下方向および左右方向の大きさが、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０のアノード側拡散層８２０より、わずかに小さくされている。その結果、アノード側拡散層８２０ｂの周縁部の外周端は、第１のリブ７２０ａと重なり合わないように配置される（図１４、図１５）。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｂのその他の構成は、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０と同一であるので、説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。例えば、積層方向から見て、アノード側拡散層８２０ｂの周縁部は第１のリブ７２０ａと重なっていないものの、電解質膜８１０とカソード側拡散層８３０の周縁部は第１のリブ７２０ａと重なっている。この結果、積層・締結されて燃料電池が構成される際、第１のリブ７２０ａを介して加えられた押圧力により、支持部７１０の内部において、支持部７１０と電解質膜８１０との間、電解質膜８１０とカソード側拡散層８３０との間、カソード側拡散層８３０と支持部７１０との間のシール性がそれぞれ確保される。この結果、第１実施例と同様に、クロスリークを抑制することができる。

また、電解質膜８１０と共にカソード側拡散層８３０が支持部７１０の内部に延在しているので、第１変形例と同様に、射出成形時のＭＥＧＡ８６０ｂの周縁部の変形を抑制し、所望の形状にＭＥＧＡ８６０の周縁部とシール部材７００を一体化することができ、クロスリークをより確実に抑制することができる。

さらに、本変形例によれば、第１実施例と同様の作用・効果に加えて以下の効果を奏する。さらに、本変形例では、積層方向から見て、アノード側拡散層８２０が第１のリブ７２０ａと重なっていないため、第１のリブ７２０ａのリブの下方（図１４において符号Ｚで示す領域）の成形材料（実施例ではゴム）の量が増大する。この結果、本変形例では、押圧力を受けたときの第１のリブ７２０ａの変形量が、第１実施例より増大する。この結果、積層・締結されて燃料電池１００が構成された際に、燃料電池のたわみなどの変形に対する追従性が増大し、シール性が向上する。

また、下方が成形材料（実施例ではゴム）しかない第２のリブ７２０ｂと、下方にＭＥＧＡが埋め込まれている第１のリブ７２０ａとでは、同じ押圧力を受けたときの変形量や、同じ変形が生じたときの反力などの特性が異なってくる。本変形例では、第１のリブ７２０ａの下方にアノード側拡散層８２０ｂを延在させないことにより、第１のリブ７２０ａの下方の成形材料の量を増大させることにより、第１のリブ７２０ａと第２のリブ７２０ｂとの間の特性の差を小さくすることができる。この結果、第１のリブ７２０ａおよび第２のリブ７２０ｂと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性を向上することができる。

さらに、第１のリブ７２０ａの下方にアノード側拡散層８２０ｂを延在させないことにより、第１のリブ７２０ａの押圧力により、アノード側拡散層の炭素繊維およびカソード側拡散層８３０の炭素繊維が電解質膜８１０に突き刺さって接触して短絡が発生することを防止することができる。

・第１実施例の変形例２：
図１６および図１７を参照して、第１実施例の変形例２について説明する。図１６は、第１実施例の変形例２におけるアッセンブリの断面図である。図１７は、第１実施例の変形例２におけるＭＧＥＡの正面図である。なお、図１６は、第１実施例を説明する際に参照した図５に対応する部分の断面を示している。また、図１７において、破線は、シール部材７００と一体化されたときに、第１のリブ７２０ａが形成される部位を示している。そして、図１７において、一点破線Ｈ−Ｈは、図１６に示す断面図に対応する部位を示している。

本変形例が、上述した第１実施例と異なる点は、ＭＥＧＡの構成のみであるので、他の構成については第１実施例と同一の符号を付してその説明を省略し、ＭＥＧＡの構成についてのみ説明する。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｃは、アノード側拡散層８２０ｃの構成が、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０と異なっている。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｃのアノード側拡散層８２０ｃは、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０のアノード側拡散層８２０と同じ大きさにされている。そして、アノード側拡散層８２０ｃの周縁部において、積層方向から見て、第１のリブ７２０ａと重なり合う部分に貫通孔ＨＬｃが設けられている（図１６、図１７）。貫通孔ＨＬｃは、図１７に示すように、積層方向から見て、第１のリブ７２０ａと重なり合う部分の全体に亘って、すなわち、アノード側拡散層８２０ｃの周縁部に全周に亘って、所定の間隔で設けられている。貫通孔ＨＬｃは、例えば、アノード側拡散層８２０ｃを電解質膜８１０にホットプレスにより接着する前に、アノード側拡散層８２０ｃにパンチ加工により形成される。貫通孔ＨＬｃの内部は、射出成形によりシール部材７００を一体成形するときに、成形材料で埋められる。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｃのその他の構成は、第１実施例におけるＭＥＧＡ８６０と同一であるので、説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第１実施例と同様の作用・効果に加えて、以下の作用・効果を奏する。上述したように、本変形例では、アノード側拡散層８２０ｃの周縁部において、第１のリブ７２０ａと重なり合う部分に貫通孔ＨＬｃが設けられ、貫通孔ＨＬｃは成形材料で充填されている。この結果、第１のリブ７２０ａのリブの下方の成形材料（例えば、ゴム）の量が増大する。この結果、本変形例では、押圧力を受けたときの第１のリブ７２０ａの変形量が、第１実施例より増大する。この結果、積層・締結されて燃料電池１００が構成された際に、燃料電池のたわみなどの変形に対する追従性が増大し、シール性が向上する。

また、下方が成形材料（実施例ではゴム）しかない第２のリブ７２０ｂと、下方にＭＥＧＡが埋め込まれている第１のリブ７２０ａとでは、同じ押圧力を受けたときの変形量や、同じ変形が生じたときの反力などの特性が異なってくる。本変形例では、第１のリブ７２０ａの下方のアノード側拡散層８２０ｃに貫通孔ＨＬｃを設けて第１のリブ７２０ａの下方の成形材料の量を増大させることにより、第１のリブ７２０ａと第２のリブ７２０ｂとの間の特性の差を小さくすることができる。この結果、第１のリブ７２０ａおよび第２のリブ７２０ｂと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性を向上することができる。
・第１実施例の変形例３：
図１８を参照して、第１実施例の変形例３について説明する。図１８は、第１実施例の変形例３におけるアッセンブリの断面図である。図１８は、第１実施例を説明する際に参照した図５に対応する部分の断面を示している。

本変形例が、上述した第１実施例の変形例２と異なる点は、ＭＥＧＡの構成のみであるので、他の構成については第１実施例の変形例２（図１６）と同一の符号を付してその説明を省略し、ＭＥＧＡの構成についてのみ説明する。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｄは、カソード側拡散層８３０ｄの構成が、第１実施例の変形例２におけるＭＥＧＡ８６０ｃと異なっている。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｄのカソード側拡散層８３０ｄの周縁部に貫通孔ＨＬｄが設けられている（図１８）。カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄは、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃ（図１６、図１７）と同じ形状・大きさを有している。また、カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄは、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃと、積層方向からみて同じ位置に設けられている。カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄは、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃと同様に、例えば、カソード側拡散層８３０ｄを電解質膜８１０にホットプレスにより接着する前に、カソード側拡散層８３０ｄにパンチ加工により形成される。カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内部は、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃと同様に、射出成形によりシール部材７００を一体成形するときに、成形材料で埋められる。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｄのその他の構成は、第１実施例の変形例２におけるＭＥＧＡ８６０ｃと同一であるので、説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第１実施例の変形例２と同様の作用・効果を奏する。なお、上述した第１実施例の変形例２と比較して、カソード側拡散層８３０ｄの周縁部にも貫通孔が設けられている分、第１のリブ７２０ａのリブの下方の成形材料の量がさらに増大している。この結果、第１のリブ７２０ａと第２のリブ７２０ｂとの間の特性の差をさらに小さくすることができる。この結果、第１のリブ７２０ａおよび第２のリブ７２０ｂと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性をさらに向上することができる。

・第１実施例の変形例４：
図１９および図２０を参照して、第１実施例の変形例４について説明する。図１９は、第１実施例の変形例４におけるアッセンブリの断面図である。図２０は、第１実施例の変形例４における第１のリブ周辺を拡大して示す図である。図１９は、第１実施例を説明する際に参照した図５に対応する部分の断面を示している。

本変形例が、上述した第１実施例の変形例３と異なる点は、ＭＥＧＡの構成のみであるので、他の構成については第１実施例の変形例３（図１８）と同一の符号を付してその説明を省略し、ＭＥＧＡの構成についてのみ説明する。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｅは、電解質膜８１０ｅの構成が、第１実施例の変形例３におけるＭＥＧＡ８６０ｄと異なっている。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｅの電解質膜８１０ｅの周縁部には貫通孔ＨＬｅが設けられている（図１９、図２０）。貫通孔ＨＬｅは、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃ、および、カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄと同じ円筒形状を有している。また、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅは、アノード側拡散層８２０の貫通孔ＨＬｃ、および、カソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｃと、積層方向から見て中心が重なる位置、すなわち、積層方向からみて同心円状に設けられている。

電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの内径ｒ１は、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内径ｒ２より小さい（図２０）。この結果、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの内壁は、全周において、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内壁より内側にはみ出している（図２０）。図２０に示されているはみ出し量ｎｃは、例えば、０．１ｍｍ程度にされる。例えば、内径ｒ２が１ｍｍ、内径ｒ１が０．８ｍｍとされる。

電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅは、例えば、カソード側拡散層８３０ｄおよびアノード側拡散層８２０ｃを電解質膜８１０ｅにホットプレスにより接着する前に、電解質膜８１０ｅにパンチ加工により形成される。貫通孔ＨＬｅの内部は、貫通孔ＨＬｃ、ＨＬｄと同様に、射出成形によりシール部材７００を一体成形するときに、成形材料で埋められる。本変形例におけるＭＥＧＡ８６０ｅのその他の構成は、第１実施例の変形例３におけるＭＥＧＡ８６０ｄと同一であるので、説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第１実施例の変形例２および第１実施例の変形例３と同様の作用・効果を奏する。なお、上述した第１実施例の変形例２および第１実施例の変形例３と比較して、電解質膜８１０ｅにも貫通孔が設けられている分、第１のリブ７２０ａのリブの下方の成形材料の量がさらに増大している。この結果、第１のリブ７２０ａと第２のリブ７２０ｂとの間の特性の差をさらに小さくすることができる。この結果、第１のリブ７２０ａおよび第２のリブ７２０ｂと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性をさらに向上することができる。

さらに、本変形例では、図２０に示すように、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの内壁は、全周において、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内壁より内側にはみ出しているので、アノード側拡散層８２０ｃの炭素繊維とカソード側拡散層８３０ｄの炭素繊維とが接触して短絡してしまうことを抑制することができる。

なお、以上の説明から解るように、本変形例ではアノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄが、請求項における第１の貫通孔に対応し、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅが、請求項における第２の貫通孔に対応する。

・第１実施例のその他の変形例：
１．上記第１実施例およびその変形例では、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面に積層部材８００とシール部材７００を一体化したアッセンブリ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側の面に積層部材８００とシール部材７００を一体化しても良い。かかる場合は、シール部材７００とセパレータ６００のアノードプレート３００側の面との間が接触面ＳＵによってシールされ、シール部材７００とカソードプレート４００側の面との間がリブ７２０ａ、７２０ｂによってシールされることになる。セパレータ６００のどちらの面に積層部材８００およびシール部材７００を一体化するかは、酸化ガスと燃料ガスのガス圧などの燃料電池の運転条件や、設計思想などに応じて適宜に選択可能である。例えば、上記実施例では、カソード側を接触面ＳＵでシールすることにより、ガス圧が高くなりがちなカソード側において、シール材の変形などを抑制し、シール不良を向上している。一方、例えば、設計思想として、水素のシール不良を抑制することを優先する場合には、アノード側を接触面ＳＵでシールすることにより、水素に関するシール不良を抑制しても良い。

２．上記第１実施例およびその変形例では、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の支持部７１０とセパレータ６００との接触面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の接触面を密着させて真空とすることによる吸盤効果を用いた結合や、セパレータ６００の接触面に突起、溝、孔などの形状を設ける、いわゆるアンカー効果による結合などを用いることができる。

３．上記第１実施例およびその変形例では、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。

Ｂ．第２実施例：
図２１および図２２を参照して第２実施例について説明する。図２１は、第２実施例における燃料電池の構成を示す図である。図２２は、第２実施例における燃料電池の断面図である。図２２は、第１実施例における図５に対応する部位の断面図である。

第２実施例における燃料電池１００ｂは、第１実施例における燃料電池１００と異なり、アッセンブリ２００を積層するのではなく、それぞれ別体として作製されたシール一体型部材２００ｂとセパレータ６００とを交互に積層・締結することにより製造される。セパレータ６００の構成は、第１実施例におけるセパレータ６００と同一であるので、その説明を省略する。

シール一体型部材２００ｂは、図２２に示すように、第１実施例と同一の積層部材８００（ＭＥＧＡ８６０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０）の端部に、シール部材７００ｆを一体に成形したものである。シール一体型部材２００ｂは、例えば、成形型のキャビティに積層部材の端部を臨ませて、射出成形を行うことによって作製される。

シール部材７００ｆは、第１実施例におけるシール部材７００と異なり、セパレータ６００とは一体とされていない。シール部材７００ｆは、支持部７１０ｆとリブ７２０ｆ、７２０ｇとから構成されている。リブ７２０ｆ、７２０ｇのシールラインは、第１実施例と同様に、発電領域ＤＡの全周と、各マニホールド１１０〜１６０の全周である（図示省略）。第１実施例と同様に、発電領域ＤＡの全周を取り囲む部分を第１のリブ７２０ｆと呼び、それ以外の部分を第２のリブ７２０ｇと呼ぶ。

シール部材７００ｆにおいて、第１実施例におけるシール部材７００と異なり、支持部７１０ｆには、電解質膜８１０に対して対称に、アノード側とカソード側の両側に、リブ７２０ｆ、７２０ｇが形成されている（図２２）。シール一体型部材２００ｂとセパレータ６００とが交互に積層・締結されたときに、アノード側のリブは、アノード側に配置されたセパレータ６００と接触して当該セパレータとの間をシールし、カソード側のリブは、カソード側に配置されたセパレータ６００と接触して当該セパレータとの間をシールする。

支持部７１０ｆは、第１実施例における支持部７１０と同様に、その成形材料が図２２において符号ＢＢで示す部分に含浸して、積層部材８００の端部に一体化されている。すなわち、積層部材８００のうちアノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、外周端の僅かな部分に、支持部７１０ｆの成形材料が含浸している。そして、積層部材８００のうち、電解質膜８１０およびカソード側拡散層８３０およびアノード側拡散層８２０は、それぞれの周縁部が、積層方向から見て、第１のリブ７２０ｆと重なり合うように、支持部７１０ｆの内部において、第１のリブ７２０ｆの下を超えて延在している（図２２）。

燃料電池１００ｂの動作については、第１実施例と同一であるのでその説明を省略する。

以上説明した第２実施例によれば、第１実施例と同様に、ＭＥＧＡ８６０の周縁部が積層方向から見て第１のリブ７２０ｆと重なっている。この結果、積層・締結されて燃料電池が構成される際、第１のリブ７２０ｆによる加えられた押圧力により、支持部７１０ｆの内部において、支持部７１０ｆとアノード側拡散層８２０との間、アノード側拡散層８２０と電解質膜８１０との間、電解質膜８１０とカソード側拡散層８３０との間、カソード側拡散層８３０と支持部７１０との間のシール性がそれぞれ確保される。この結果、上述したクロスリークを抑制することができる。

さらに第１実施例と同様に、電解質膜８１０だけが、支持部７１０ｆの内部に延在しているのではなく、ＭＥＧＡ８６０全体が支持部７１０ｆの内部に延在している。この結果、第１実施例と同様に、射出成形時のＭＥＧＡ８６０の周縁部の変形を抑制し、所望の形状にＭＥＧＡ８６０の周縁部とシール部材７００を一体化することができ、クロスリークをより確実に抑制することができる。

・第２実施例の変形例１：
図２３を参照して、第２実施例の変形例１について説明する。図２３は、第２実施例の変形例１における燃料電池の断面図である。図２３は、第２実施例を説明する際に参照した図２２に対応する部分の断面を示している。

本変形例が、上述した第２実施例と異なる点は、ＭＥＧＡ８６０に代えて、第１実施例の変形例３に採用されているＭＥＧＡ８６０ｄ（図１８）が採用されている点である。その他の構成は、上述した第２実施例と同一であるので、同一の構成については、図２３において、図２２と同一の符号を付しその説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第２実施例と同様の作用・効果に加えて、第１実施例の変形例３と同様な以下の作用・効果を奏する。すなわち、本変形例では、アノード側拡散層８２０ｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの周縁部において、第１のリブ７２０ｆと重なり合う部分に貫通孔ＨＬｃ、ＨＬｄがそれぞれ設けられ、これらの貫通孔は成形材料で充填されている。この結果、第１のリブ７２０ｆのリブの下方の成形材料の量が増大し、押圧力を受けたときの第１のリブ７２０ｆの変形量が、第２実施例より増大する。したがって、積層・締結されて燃料電池１００ｂが構成された際に、燃料電池のたわみなどの変形に対する追従性が増大し、シール性が向上する。また、第１のリブ７２０ｆの下方の成形材料の量を増大させることにより、第１のリブ７２０ｆと第２のリブ７２０ｇとの間の特性の差を小さくすることができる。したがって、第１のリブ７２０ｆおよび第２のリブ７２０ｇと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性を向上することができる。

・第２実施例の変形例２：
図２４を参照して、第２実施例の変形例２について説明する。図２４は、第２実施例の変形例２における燃料電池の断面図である。図２４は、第２実施例を説明する際に参照した図２２に対応する部分の断面を示している。

本変形例が、上述した第２実施例と異なる点は、ＭＥＧＡ８６０に代えて、第１実施例の変形例４に採用されているＭＥＧＡ８６０ｅ（図１９、図２０）が採用されている点である。その他の構成は、上述した第２実施例と同一であるので、同一の構成については、図２４において、図２２と同一の符号を付しその説明を省略する。

本変形例によれば、上述した第２実施例の変形例１と同様の作用・効果を奏する。なお、上述した第２実施例の変形例１と比較して、電解質膜８１０ｅにも貫通孔が設けられている分、第１のリブ７２０ｆのリブの下方の成形材料の量がさらに増大し、第１のリブ７２０ｆと第２のリブ７２０ｇとの間の特性の差をさらに小さくすることができる。したがって、第１のリブ７２０ｆおよび第２のリブ７２０ｇと、これらのリブと接触するセパレータ６００との間のシール性をさらに向上することができる。

さらに、本変形例では、第１実施例の変形例４と同様に、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの内壁は、全周において、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内壁より内側にはみ出しているので、アノード側拡散層８２０ｃの炭素繊維とカソード側拡散層８３０ｄの炭素繊維とが接触して短絡してしまうことを抑制することができる。

Ｃ．第１実施例および第２実施例に共通の変形例：
１．第１実施例の変形例２〜４および第２実施例の変形例２〜３における貫通孔ＨＬｃ、ＨＬｄ、ＨＬｅの配置および形状は、一例であり、その他の形状や配置を採用しても良い。例えば、これらの貫通孔は、積層方向からみた形状が正方形、長方形などの四角型であっても良いし、他の多角形であっても良い。ただし、第１実施例の変形例４および第２実施例の変形例３において、他の形状を採用する場合において、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの内壁は、全周において、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの内壁より内側にはみ出していることが好ましい。例えば、電解質膜８１０ｅの貫通孔ＨＬｅの形状を、アノード側拡散層８２０ｃの貫通孔ＨＬｃおよびカソード側拡散層８３０ｄの貫通孔ＨＬｄの形状の若干小さい相似形としても良い。

上記各実施例および変形例では、積層部材８００の各部材やセパレータ６００の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ６００は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。

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とすることが可能であり、またセパレータ６００の形状は他の任意の形状とすることが可能である。

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。

第１実施例における燃料電池の構成を示す第１の説明図である。 第１実施例における燃料電池の構成を示す第２の説明図である。 第１実施例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。 アッセンブリ２００の正面図を示す図である。 図４におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 カソードプレートの形状を示す説明図である。 アノードプレートの形状を示す説明図である。 中間プレートの形状を示す説明図である。 セパレータの正面図である。 燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。 アッセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。 アッセンブリの製造を説明するための図である。 成形型を示す図である。 第１実施例の変形例１におけるアッセンブリの断面図である。 第１実施例の変形例１におけるＭＧＥＡの正面図である。 第１実施例の変形例２におけるアッセンブリの断面図である。 第１実施例の変形例２におけるＭＧＥＡの正面図である。 第１実施例の変形例３におけるアッセンブリの断面図である。 第１実施例の変形例４におけるアッセンブリの断面図である。 第１実施例の変形例４における第１のリブ周辺を拡大して示す図である。 第２実施例における燃料電池の構成を示す図である。 第２実施例における燃料電池の断面図である。 第２実施例の変形例１における燃料電池の断面図である。 第２実施例の変形例２における燃料電池の断面図である。

符号の説明

１００、１００ｂ…燃料電池
１００ｂ…燃料電池
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…アッセンブリ
２００ｂ…シール一体型部材
３００…アノードプレート
３２２〜３３２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
３５４…燃料ガス排出スリット
４００…カソードプレート
４２２〜４３２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２〜５３２…マニホールド形成部
５４２〜５４８…反応ガス供給／排出流路形成部
５５０…冷却媒体流路形成部
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、７００ｆ…シール部材
７１０、７１０ｆ…支持部
７２０ａ、７２０ｂ、７２０ｆ、７２０ｇ…リブ
８００…積層部材
８１０、８１０ｅ…電解質膜
８２０、８２０ｂ、８２０ｃ…アノード側拡散層
８３０、８３０ｄ…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
８６０、８６０ｂ、８６０ｃ、８６０ｄ、８６０ｅ…ＭＥＧＡ
９１０…上型
９２０…下型
ＨＬｃ、ＨＬｄ、ＨＬｅ…貫通孔

Claims (14)

1. 複数個積層されることにより燃料電池を構成するアッセンブリであって、
   セパレータと、
   前記セパレータの一の側に配置された電解質膜と、前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置された第１の拡散層と、前記電解質膜の前記第１の拡散層とは反対側に配置された第２の拡散層と、を少なくとも含む積層部材と、
   前記セパレータの一の側の面における前記積層部材が配置された領域を囲む周囲領域に接着または密着していると共に前記積層部材の端部と一体化している支持部と、前記支持部上に形成され、積層されたときに積層方向に押圧されるリブと、を有するシール部材と、
   を備え、
   前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記電解質膜と、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちの少なくとも一つとが、前記リブと積層方向に重なり合う、アッセンブリ。
2. 請求項１に記載のアッセンブリにおいて、
   前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちのいずれか一つが、前記リブと積層方向に重なり合い、他の一つが前記リブと積層方向に重なり合わない、アッセンブリ。
3. 請求項２に記載のアッセンブリにおいて、
   前記支持部と一体化している前記積層部材の端部において、前記第１の拡散層が前記リブと積層方向に重なり合い、前記第２の拡散層が前記リブと積層方向に重なり合わない、アッセンブリ。
4. 請求項１に記載のアッセンブリにおいて、
   前記第１の拡散層および前記第２の拡散層のうちの少なくとも一つには、前記リブと積層方向に重なり合う部分に、第１の貫通孔が設けられており、前記第１の貫通孔は、前記シール部材で埋められている、アッセンブリ。
5. 請求項４に記載のアッセンブリにおいて、
   前記電解質膜には、前記第１の貫通孔と積層方向に重なり合う部分に、第２の貫通孔が設けられており、前記第２の貫通孔は、前記シール部材で埋められている、アッセンブリ。
6. 請求項５に記載のアッセンブリにおいて、
   前記第２の貫通孔の内壁は、積層方向から見て、前記第１の貫通孔の内壁より内側にはみ出している、アッセンブリ。
7. 請求項６に記載のアッセンブリにおいて、
   前記第１の貫通孔および第２の貫通孔は、積層方向から見て中心が重なり合う円型の孔であり、前記第２の貫通孔の内径は、前記第１の貫通孔の内径より小さい、アッセンブリ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のアッセンブリを複数個積層して構成された燃料電池。
9. セパレータを挟んで複数個積層されることにより燃料電池を構成するシール一体部材であって、
   電解質膜と、前記電解質膜の一の側に配置された第１の拡散層と、前記電解質膜の他の側に配置された第２の拡散層と、を少なくとも含む積層部材と、
   積層されたときに積層方向に押圧されるリブを有すると共に、前記積層部材の端部と一体化しているシール部材と、
   を備え、
   前記シール部材と一体化している前記積層部材の端部において、前記電解質膜と前記第１の拡散層と前記第２の拡散層が、前記リブと積層方向に重なり合う、シール一体部材。
10. 請求項９に記載のシール一体部材において、
    前記第１の拡散層および前記第２の拡散層には、前記リブと積層方向に重なり合う部分に、第１の貫通孔が設けられており、前記第１の貫通孔は、前記シール部材で埋められている、シール一体部材。
11. 請求項１０に記載のシール一体部材において、
    前記電解質膜には、前記第１の貫通孔と積層方向に重なり合う部分に、第２の貫通孔が設けられており、前記第２の貫通孔は、前記シール部材で埋められている、シール一体部材。
12. 請求項１１に記載のシール一体部材において、
    前記第２の貫通孔の内壁は、積層方向から見て、前記第１の貫通孔の内壁より内側にはみ出している、シール一体部材。
13. 請求項１２に記載のシール一体部材において、
    前記第１の貫通孔および第２の貫通孔は、積層方向から見て中心が重なり合う円型の孔であり、前記第２の貫通孔の内径は、前記第１の貫通孔の内径より小さい、シール一体部材。
14. 請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載のシール一体部材を、セパレータを挟んで複数個積層して構成された燃料電池。

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