JP2009104922A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】電解質膜上に配置された固定部と、固定部に接触するシール部であって、シール部と電解質膜との間を通る流体漏洩を抑制するシール部とを利用する。ここで、固定部は穴を有し、電解質膜は穴に入る凸部を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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。

従来より、燃料電池が利用されている。燃料電池としては、電解質膜と電極触媒層とを有するものが知られている。また、電極触媒層の周囲部に額縁状にガスシール部を設けたものも知られている。

特開２００７−６６７６６号公報 特開２００６−３３８９４３号公報 特開２００７−０９５６６９号公報 特表２００４−５２３０６３号公報

電解質膜とシール部との間の相対的な位置は、震動や電解質膜の膨潤収縮等の種々の要因によってずれ得る。このような位置ズレによって、シール部によるシール性が低下するおそれがあった。ところが、従来は、電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを抑制する点に関しては、十分な工夫がなされていないのが実情であった。なお、このような問題は、額縁状にシール部を設ける場合に限らず、種々の形状のシール部に共通する課題であった。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜上に配置された固定部と、前記固定部に接触するシール部であって、前記シール部と前記電解質膜との間を通る流体漏洩を抑制するシール部と、を備え、前記固定部は穴を有し、前記電解質膜は前記穴に入る凸部を有する、燃料電池。

この構成によれば、固定部の穴に電解質膜の凸部が入っているので、固定部と電解質膜との間の相対位置がずれることを抑制でき、さらに、シール部と固定部とが接触しているので、固定部とシール部との間の相対位置がずれることを抑制できる。これらの結果、電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、前記シール部は、前記電解質膜の周縁を全周に亘ってシールする、燃料電池。

この構成によれば、電解質膜の周縁を全周に亘ってシールするシール部と、電解質膜との間の相対的な位置ズレを適切に抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、前記固定部は、前記電解質膜の周縁の全周に亘るループ状の部分を含み、前記固定部の前記ループ状部分は、全周に亘って設けられた複数の前記穴を有し、前記電解質膜は、前記複数の穴のそれぞれに入る複数の前記凸部を有する、燃料電池。

この構成によれば、電解質膜の周縁の全周に亘って、電解質膜の凸部と固定部の穴とが咬み合うので、電解質膜と固定部との間の相対位置がずれることを適切に抑制できる。その結果、電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを適切に抑制することができる。

［適用例４］適用例３に記載の燃料電池であって、前記シール部は、前記電解質膜の周縁の全周に亘るループ状の部分を含み、前記シール部の前記ループ状部分は、全周に亘って前記固定部に接触している、燃料電池。

この構成によれば、シール部のループ状部分が、全周に亘って固定部に接触しているので、シール部と固定部との間の相対位置がずれることを適切に抑制できる。その結果、電解質膜とシール部との間の相対的な位置ズレを適切に抑制することができる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、セパレータを有し、前記シール部は、前記セパレータに接触することによって、前記シール部と前記セパレータとの間を通る流体漏洩を抑制する、燃料電池。

この構成によれば、シール部によってセパレータと電解質膜との間をシールすることができる。

［適用例６］シール一体型膜電極接合体を製造する方法であって、ループ状に配置された複数の貫通穴を有する固定シートを準備する工程と、前記固定シートの一方の面において、前記各貫通穴をカバー部材によって覆う工程と、前記固定シートの他方の面に電解質溶液を塗布することによって、前記貫通穴に入る凸部を有する電解質膜と、前記固定シートとの接合体を形成する工程と、前記カバー部材と前記接合体とを分離する工程と、前記固定シートに接触するシール部であって、前記シール部と前記電解質膜との間を通る流体漏洩を抑制するシール部を、前記接合体に設ける工程と、を備える方法。

この方法によれば、穴を有する固定シートと、その穴に入る凸部を有する電解質膜と、固定シートに接触するとともに流体漏洩を抑制するシール部とを有するシール一体型膜電極接合体を容易に製造することができる。

［適用例７］適用例６に記載の方法であって、前記固定シートは、前記貫通穴によって囲まれる、ループ状のミシン目を有し、前記方法は、さらに、前記固定シートの前記穴を有する部分を残して、前記固定シートの前記ミシン目で囲まれる部分を前記接合体から分離する工程を含む、方法。

この方法によれば、ループ状の固定シートを有する燃料電池を容易に製造することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法または製造装置、その燃料電池を備える車両、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、等の態様で実現することができる。

次に、この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．燃料電池の実施例：
Ｂ．セパレータの実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．燃料電池の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００を示す分解斜視図である。この燃料電池１００は、例えば、酸素を含む酸化ガス（例えば、空気）と、水素を含む燃料ガス（例えば、水素ガス）とを用いて発電を行う装置である。本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池である。この燃料電池１００は、シール一体アセンブリＡＳＳＹとセパレータ３００とが交互に積層方向ＬＤに沿って積層された構成を有している。本実施例では、セパレータ３００は金属製であり、その形状は略矩形平板形状である。シール一体アセンブリＡＳＳＹは、第１シール部５１０と膜−電極接合体２１０とを含むアセンブリである。以下、膜−電極接合体２１０を「ＭＥＡ２１０（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ。第１シール部５１０は、ＭＥＡ２１０の周縁に沿ったループ形状を有している。なお、図１には、燃料電池１００に含まれる複数のシール一体アセンブリＡＳＳＹと複数のセパレータ３００との内の一部が示されている。以下、燃料電池１００の各部材を積層する方向を積層方向ＬＤと呼び、また、面状部材の厚さ方向に平行な表面を「端面」と呼び、面状部材の厚さ方向に直交する表面を「積層面」と呼ぶ。

図２は、図１に示すシール一体アセンブリＡＳＳＹのＩ−Ｉ断面図である。この断面は、積層方向ＬＤ（図１）と平行な平面でシール一体アセンブリＡＳＳＹを切った断面を示している。

ＭＥＡ２１０は、イオン交換膜を利用して形成された電解質膜２１２と、電解質膜２１２を両側から挟むように配置されたアノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５と、を有している。各触媒電極層２１４、２１５の材料としては、種々の材料を採用可能である。例えば、触媒担持カーボンと電解質との混合物を採用可能である。

さらに、ＭＥＡ２１０は、アノード側拡散層２１６とカソード側拡散層２１７とを有している。アノード側拡散層２１６は、アノード側触媒電極層２１４の電解質膜２１２と対向する面とは反対側の面に配置されている。カソード側拡散層２１７は、カソード側触媒電極層２１５の電解質膜２１２と対向する面とは反対側の面に配置されている。これらの拡散層２１６、２１７としては、例えば、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を採用可能である。具体的には、メタルファイバークロス、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等を採用可能である。

なお、図示は省略するが、本実施例では、積層方向ＬＤに沿って見たときに、各層２１２、２１４、２１５、２１６、２１７の形状は略矩形状である。また、カソード側拡散層２１７の大きさと形状とは、電解質膜２１２と、ほぼ同じである。積層方向ＬＤに沿って見たときに、各層２１２、２１７の輪郭はほぼ一致している。これらの部材２１２、２１７の間のカソード側触媒電極層２１５は、電解質膜２１２（カソード側拡散層２１７）よりも小さい。カソード側触媒電極層２１５の周囲では、電解質膜２１２とカソード側拡散層２１７とが接合されている。一方、アノード側拡散層２１６は、電解質膜２１２よりも小さい。アノード側触媒電極層２１４の大きさと形状とは、アノード側拡散層２１６とほぼ同じである。積層方向ＬＤに沿って見たときに、各層２１４、２１６の輪郭はほぼ一致している。また、アノード側触媒電極層２１４の周囲では、電解質膜２１２に固定フィルム２１８が接合されている（詳細は後述）。

図１、図２に示すように、ＭＥＡ２１０の周囲には、第１シール部５１０が設けられている。この第１シール部５１０は、ＭＥＡ２１０を構成する各層の端面全体を覆うように、そして、ＭＥＡ２１０の端面に沿ってＭＥＡ２１０の周囲を取り囲むように形成されている。この第１シール部５１０は、第１シール部５１０とＭＥＡ２１０（特に電解質膜２１２）との間を通るアノード−カソード間の流体漏洩（いわゆる、クロスリーク）を抑制するガスケットとして機能する。

また、第１シール部５１０は、凸型形状のリップ部５１２をアノード側とカソード側との両側に有している。リップ部５１２は、セパレータ３００の表面に密着し、セパレータ３００との間でシールラインＳＬを形成する（図１）。そして、第１シール部５１０は、第１シール部５１０とセパレータ３００との間を通る流体漏洩を抑制する。特に、本実施例では、シールラインＳＬは、ＭＥＡ２１０の周囲を囲むループ形状を含んでいる。その結果、第１シール部５１０は、燃料電池１００内部から外部への流体（例えば、ガスや水）の漏洩を抑制する。

なお、図１、図２では図示が省略されているが、セパレータ３００と第１シール部５１０とには、種々の流路が設けられている（詳細は後述する）。

図３、図４、図５は、シール一体アセンブリＡＳＳＹ（燃料電池１００）の製造方法を示す概略図である。まず、図３（Ａ）に示すように、固定フィルム２１８とカバーフィルム２１９とを準備する。これらのフィルム２１８、２１９は、いずれも、矩形平板形状のフィルムである。さらに、固定フィルム２１８は、ループ状に配置された複数の貫通穴２１８ｈを有している。これらの貫通穴２１８ｈは、固定フィルム２１８の周縁部分に、全周に亘って配置されている。また、固定フィルム２１８は、これらの貫通穴２１８ｈによって囲まれるループ状のミシン目２１８ｐを有している。

次に、電解質膜２１２を形成する。図３（Ｂ）〜３（Ｄ）は、いずれも、図２と同様の断面図を示している。まず、図３（Ｂ）に示すように、カバーフィルム２１９の上に固定フィルム２１８を配置する。これにより、固定フィルム２１８の一方の面において、各貫通穴２１８ｈは、カバーフィルム２１９によって覆われる（図３（Ｂ）の例では、固定フィルム２１８の下面）。次に、図３（Ｃ）に示すように、固定フィルム２１８の他方の面に電解質溶液２１２Ｌを塗布する。この際、電解質溶液２１２Ｌを貫通穴２１８ｈ内に流入させる。そして、電解質溶液２１２Ｌを乾燥させることによって、電解質膜２１２を形成する（図３（Ｄ））。この電解質膜２１２は、貫通穴２１８ｈに入る凸部２１２ｃを有している。以上のようにして、電解質膜２１２と固定フィルム２１８との接合体が形成される。なお、このような電解質膜２１２の形成は鋳造（キャスト）とも呼ばれる。重ねられた２枚のフィルム２１８、２１９の全体は、鋳型に相当する。

なお、本実施例では、固定フィルム２１８の下面において、各貫通穴２１８ｈがカバーフィルム２１９によって塞がれている。従って、固定フィルム２１８の下面に電解質溶液２１２Ｌが過剰に流れることが抑制される。また、電解質溶液２１２Ｌとしては、種々の溶液を採用可能である。例えば、ナフィオンの溶液を採用可能である（「ナフィオン」はデュポン社の商標）。

次に、余分な部分を分離する。図４（Ａ）は、図３（Ｄ）と同様の断面図を示し、図４（Ｂ）は、斜視図を示している。図中では、電解質膜２１２にハッチングが付されている。まず、図４（Ａ）に示すように、カバーフィルム２１９と固定フィルム２１８とを分離する。そして、ミシン目２１８ｐを切断することによって、固定フィルム２１８のミシン目２１８ｐで囲まれた部分２１８ｉを分離する。これらの結果、図４（Ｂ）に示すように、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の周縁に沿ったループ状の固定フィルム２１８との接合体が得られる。

次に、シール一体アセンブリＡＳＳＹを形成する。図５（Ａ）、５（Ｂ）、５（Ｃ）は、いずれも、図４（Ａ）と同様の断面図を示している（ただし、上下方向は逆であり、固定フィルム２１８にもハッチングが付されている）。まず、図５（Ａ）に示すように、触媒電極層２１４、２１５と、拡散層２１６、２１７とを形成する。これにより、ＭＥＡ２１０が形成される。なお、各層２１４、２１５、２１６、２１７の形成方法としては、周知の種々の方法を採用可能である。例えば、事前に準備された各層を積層し、ホットプレスによって接合してもよい。

次に、図５（Ｂ）に示すように、第１シール部５１０を形成する。本実施例では、ゴム材料を用いた射出成型によって、第１シール部５１０が形成される。具体的には、ＭＥＡ２１０の周縁部に鋳型（例えば、金型）を配置し、射出装置によってゴム材料を鋳型内に射出する。これにより、第１シール部５１０が、ＭＥＡ２１０と一体的に形成される（シール一体アセンブリＡＳＳＹが形成される）。

ここで、ゴム材料の一部を、拡散層２１６、２１７の周縁部分の内に含浸させることが好ましい（図５（Ｂ）では、拡散層２１６、２１７内の含浸部分２１６ｉ、２１７ｉが、より細かいハッチングで示されている）。こうすれば、いわゆるアンカー効果によって、第１シール部５１０とＭＥＡ２１０との結合を強化することができる。また、アノード側拡散層２１６の内部において、第１シール部５１０とアノード側触媒電極層２１４とが直接接触する部分を増やすことができる。さらに、カソード側拡散層２１７の内部において、第１シール部５１０と電解質膜２１２とが直接接触する部分を増やすことができる。これらの結果、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間を通るクロスリークを抑制することもできる。

図６（Ａ）は、シール一体アセンブリＡＳＳＹをアノード側から見た透視図であり、図６（Ｂ）は、シール一体アセンブリＡＳＳＹをカソード側から見た透視図である。図中では、含浸部分２１６ｉ、２１７ｉと固定フィルム２１８とが、ハッチングで示されている。図示するように、アノード側の含浸部分２１６ｉは、アノード側触媒電極層２１４（電解質膜２１２）の周縁の全周に亘る連続なループ形状を有している。同様に、カソード側の含浸部分２１７ｉも、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状を有している。このように、本実施例では、第１シール部５１０とアノード側触媒電極層２１４とが直接接触する領域の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状を含んでいる。同様に、第１シール部５１０と電解質膜２１２とが直接接触する領域の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状を含んでいる。これらの結果、クロスリークを適切に抑制できる。なお、本実施例では、電解質膜２１２の端面２１２ｅ（図５（Ｂ））が全周に亘って第１シール部５１０と直接接触している（接触領域は連続なループである）。従って、電解質膜２１２の端面２１２ｅにおいても、クロスリークは抑制される。

次に、図５（Ｃ）に示すように、シール一体アセンブリＡＳＳＹとセパレータ３００とを交互に積層する。図示するように、電解質膜２１２とセパレータ３００との間の各空間Ｓａ、Ｓｃは、第１シール部５１０によってシールされる。そして、カソード空間Ｓｃには、酸化ガスが供給され、アノード空間Ｓａには、燃料ガスが供給される（詳細は後述する）。

アノード空間Ｓａとカソード空間Ｓｃとの間のクロスリークを抑制するためには、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレを抑制することが好ましい。本実施例では、以下に説明するように、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレが抑制される。電解質膜２１２は、固定フィルム２１８の貫通穴２１８ｈに入る凸部２１２ｃを有している。その結果、いわゆるアンカー効果によって、電解質膜２１２と固定フィルム２１８との間の相対的な位置ズレが抑制される（特に、積層方向ＬＤと垂直な方向の位置ズレが抑制される）。さらに、第１シール部５１０は、固定フィルム２１８に接触するように形成される。ここで、各部材５１０、２１８の材料として、これらの部材５１０、２１８間の結合力が強くなるような種々の材料を採用可能である。例えば、第１シール部５１０をシリコンゴムで形成し、固定フィルム２１８として、ＰＥＮフィルム（ポリエチレンナフタレートフィルム）を採用してもよい。こうすれば、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との密着力（接着力）を強くすることができる。その結果、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との間の相対的な位置ズレを抑制できる（特に、積層方向ＬＤと垂直な方向の位置ズレを抑制できる）。これらの結果、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレを抑制することができる。

仮に、第１シール部５１０内で電解質膜２１２の位置がずれると仮定する。このような位置ズレは、震動や電解質膜２１２の膨潤収縮等の種々の原因によって起こり得る。このような位置ズレが生じると、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間に意図しない隙間が生じ、クロスリークが生じる可能性が高くなる。ところが、本実施例では、上述したように、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の位置ズレが抑制されている。その結果、このようなクロスリークを抑制できる。

また、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレに起因して、セパレータ３００と第１シール部５１０との間の相対的な位置がずれる可能性もある。このような位置ズレが生じると、セパレータと電解質膜との間のシール性が低下する可能性が高くなる。ところが、本実施例では、上述したように、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の位置ズレが抑制されている。その結果、このようなシール性の低下を抑制できる。

なお、本実施例では、第１シール部５１０は、他の部材（例えば、セパレータ３００や電解質膜２１２）と接触することによって、流体漏洩を抑制する。従って、第１シール部５１０と他の部材との間に意図しない隙間が生じることを抑制するためには、弾性材料を用いて第１シール部５１０を形成することが好ましい。また、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との間の位置ズレを抑制するためには、これらの部材５１０、２１８間の結合力が過剰に弱くならないように、これらの部材５１０、２１８のそれぞれの材料を決定することが好ましい。

さらに、本実施例では、電解質膜２１２と固定フィルム２１８との間の位置ズレは、貫通穴２１８ｈと凸部２１２ｃとの係合によって抑制される。従って、電解質膜２１２と固定フィルム２１８とのそれぞれの材料の組合せに拘わらずに、各部材２１８、２１２間の位置ズレを抑制可能である。従って、固定フィルム２１８の材料を、電解質膜２１２の材料とは独立に選択可能である。すなわち、第１シール部５１０と固定フィルム２１８とのそれぞれの材料の選択の自由度を高めることができる。従って、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との間の密着力（接着力）を高めることが容易である。

例えば、第１シール部５１０の材料としては、シリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭゴム（エチレンプロピレンジエンモノマゴム）等のゴムを採用可能である。また、固定フィルム２１８の材料としては、これらのゴムと密着性の良好な種々の材料、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を採用可能である。なお、燃料電池内の雰囲気が酸性雰囲気である場合には、酸に対する耐久性が強いＰＥＮを採用することが好ましい。

ここで、仮に、固定フィルム２１８を利用せずに第１シール部５１０と電解質膜２１２との間の結合力を高める場合を考える。この場合には、第１シール部５１０の材料を電解質膜２１２の材料に合わせて選択する必要がある。その結果、第１シール部５１０の材料の選択の自由度は、電解質膜２１２の材料によって大幅に制限される。また、電解質膜２１２の材料の配合は、燃料電池１００の用途や利用環境に合わせて、種々に調整される。例えば、乾燥地帯で燃料電池が利用される場合には、乾燥に強い配合が採用される。また、電解質膜２１２の材料は日々改良されている。これらの結果、電解質膜２１２の材料は大きく変化し得る。このような種々の電解質膜２１２に合わせて第１シール部５１０の材料を選択することには、多大な労力が要求される。しかし、本実施例では、第１シール部５１０と固定フィルム２１８とのそれぞれの材料を、電解質膜２１２の材料とは独立に選択可能であるので、このような労力を軽減可能である。

なお、第１シール部５１０の材料として、固定フィルム２１８との密着性を高める成分（例えば、種々の接着剤）が配合された材料を採用してもよい。また、第１シール部５１０を形成する前に、固定フィルム２１８の表面に密着性を高める材料を塗布してもよい。また、第１シール部５１０の形成方法としては、射出成型とは異なる他の方法を採用してもよい。例えば、圧縮成型を採用してもよい。ここで、鋳型内に未加硫のゴム材料を充填し、鋳型を型締めして加熱することにより、成形と加硫とを同時に行う加硫圧縮成形を行ってもよい。いずれの場合も、加硫によって第１シール部５１０と固定フィルム２１８とが接着するように、第１シール部５１０と固定フィルム２１８とのそれぞれの材料を選択してもよい。

また、本実施例では、固定フィルム２１８の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状であり、固定フィルム２１８の全周に亘って複数の貫通穴２１８ｈが設けられている。そして、電解質膜２１２の周縁には、貫通穴２１８ｈに入る凸部２１２ｃが全周に亘って配置されている。これらの結果、電解質膜２１２の全周に亘って、貫通穴２１８ｈと凸部２１２ｃとが咬み合うので、電解質膜２１２の全周が固定フィルム２１８によって保持される。その結果、固定フィルム２１８と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレを適切に抑制できる。

さらに、本実施例では、第１シール部５１０の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状である。そして、第１シール部５１０は、全周に亘って連続的に固定フィルム２１８に接触している（図６（Ａ））。すなわち、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との接触領域の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状である。このように、第１シール部５１０が、全周に亘って固定フィルム２１８と接触するので、第１シール部５１０と固定フィルム２１８との間の相対的な位置ズレを適切に抑制できる。

Ｂ．セパレータの実施例：
図７および図８は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。また、図９および図１０は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。図７は、図９および図１０におけるＡ−Ａ切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示している。図８は、図９および図１０におけるＢ−Ｂ切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示している。図９は、具体的には、図７および図８における上側から見たセパレータ３００の平面構成を示している。図９において、二点鎖線で囲んだ領域ＰＡは、セルアセンブリ２００（より詳細には後述のカソード側多孔体２３０）と接する領域を表している。図１０は、具体的には、図７および図８における上側から見たセルアセンブリ２００の平面構成を示している。

セルアセンブリ２００は、図７および図８に示すように、ＭＥＡ２１０と、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置されたアノード側多孔体２２０およびカソード側多孔体２３０と、を有している。また、アノード側多孔体２２０およびカソード側多孔体２３０を、まとめて「多孔体２２０および２３０」とも呼ぶものとする。

アノード側多孔体２２０は、図５（Ｃ）に示すアノード空間Ｓａ内に配置されている。一方、カソード側多孔体２３０は、カソード空間Ｓｃ内に配置されている。

多孔体２２０および２３０は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体から成り、ＭＥＡ２１０における発電に用いられる反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を流通させる流路として機能する。この多孔体２２０および２３０は、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、フェルトなどが用いられる。

セパレータ３００は、図７および図８に示すように、カソード側多孔体２３０に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード側多孔体２２０に対向するアノード対向プレート３３０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３３０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、金属製の略四角形平面の薄板である。

燃料電池１００は、図７に示すように、各セルアセンブリ２００に酸化ガスとしての空気を供給するための空気供給マニホールド６４０と、各セルアセンブリ２００で利用されなかった空気を集約して燃料電池１００の外部に排出するための空気排出マニホールド６５０と、を備えている。

セパレータ３００には、図７および図９に示すように、空気供給マニホールド６４０から供給された空気をセルアセンブリ２００に導くと共に、セルアセンブリ２００から排出された空気を空気排出マニホールド６５０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、空気供給マニホールド６４０が貫通する貫通口３４２と、空気を空気供給マニホールド６４０から内部へと導くための空気流路３４４と、空気流路３４４とカソード側多孔体２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気供給口３４６と、を有している。また、セパレータ３００は、空気排出マニホールド６５０が貫通する貫通口３５２と、空気を空気排出マニホールド６５０へと導くための空気流路３５４と、空気流路３５４とカソード側多孔体２３０の表面とを連通するためにカソード対向プレート３１０に形成された空気排出口３５６と、を有している。

図７において矢印で示したように、空気供給マニホールド６４０に供給された空気は、貫通口３４２、空気流路３４４、空気供給口３４６を経てカソード側多孔体２３０内部に流入する。その後、空気は、カソード側多孔体２３０内部を通過しつつＭＥＡ２１０における発電に利用され、利用されなかった空気は、空気排出口３５６、空気流路３５４、貫通口３５２を経て空気排出マニホールド６５０に排出される。

同様に、燃料電池１００は、図８に示すように、各セルアセンブリ２００に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド６６０と、各セルアセンブリ２００で利用されなかった燃料ガスを集約して燃料電池１００の外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド６７０と、を備えている。

セパレータ３００には、図８および図９に示すように、燃料ガス供給マニホールド６６０から供給された燃料ガスをセルアセンブリ２００に導くと共に、セルアセンブリ２００から排出された燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド６７０へと導くための流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、燃料ガス供給マニホールド６６０が貫通する貫通口３６２と、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールド６６０から内部へと導くための燃料流路３６４と、燃料流路３６４とアノード側多孔体２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料供給口３６６と、を有している。また、セパレータ３００は、燃料ガス排出マニホールド６７０が貫通する貫通口３７２と、燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド６７０へと導くための燃料流路３７４と、燃料流路３７４とアノード側多孔体２２０の表面とを連通するためにアノード対向プレート３３０に形成された燃料排出口３７６と、を有している。図８において矢印で示したように、燃料ガス供給マニホールド６６０に供給された燃料ガスは、貫通口３６２、燃料流路３６４、燃料供給口３６６を経てアノード側多孔体２２０内部に流入する。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体２２０内部を通過しつつＭＥＡ２１０における発電に利用され、利用されなかった燃料ガスは、燃料排出口３７６、燃料流路３７４、貫通口３７２を経て燃料ガス排出マニホールド６７０に排出される。

さらに、セパレータ３００には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が流通する流路が形成されている。すなわち、セパレータ３００は、冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給マニホールドが貫通する貫通口３８２（図９）と、冷却媒体を排出する図示しない冷却媒体排出マニホールドが貫通する貫通口３９２（図９）と、２つの貫通口３８２および３９２を連通させる冷却媒体流路３８４（図９および図７）と、を有している。冷却媒体供給マニホールドに供給された冷却媒体は、貫通口３８２、冷却媒体流路３８４、貫通口３９２を経て、冷却媒体排出マニホールドに排出される。

セパレータ３００は、セルアセンブリ２００に対向する表面が平坦形状に形成されており、表面に反応ガスの流路としての溝を有していない。セパレータ３００における上述した空気、燃料ガス、冷却媒体が流通する流路の形成は、セパレータ３００を構成する３枚のプレート（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３３０、中間プレート３２０）に、所定の打ち抜き加工を施すことによって行われる。

なお、図１０にはアノード側の第１シール部５１０のみが示されているが、カソード側も同様に、第１シール部５１０がＭＥＡ２１０の周囲を取り囲むように配置されている。

また、多孔体２２０および２３０の周囲には、図７および図８に示すように、多孔体２２０および２３０の端面に沿って配置された第２シール部５２０が設けられている。第２シール部５２０は、第１シール部５１０と同様に、射出成形により形成される。ここで、第２シール部５２０の形成には、第１シール部５１０より剛性の低い材料が用いられる。例えば、第２シール部５２０の形成には、エラストマー系樹脂やゴム系のシール材が用いられる。

第２シール部５２０の形成の際には、第２シール部５２０を形成するシール材料を多孔体２２０および２３０の内部に含浸させ、いわゆるアンカー効果により結合する。このようにすれば、第２シール部５２０を配置する際に、作業性を向上させることができる。また、第２シール部５２０は、第１シール部５１０とセパレータ３００との間に挟まれている。これにより、第１シール部５１０とセパレータ３００との間の流体漏洩を抑制することができる。ただし、このような第２シール部５２０を省略してもよい。

Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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。

変形例１：
上述の各実施例において、第１シール部５１０の構成としては、第１シール部５１０と電解質膜２１２との間を通る流体漏洩を抑制可能な種々の構成を採用可能である。例えば、電解質膜２１２のアノード側とカソード側とのいずれか一方の面において、流体漏洩を抑制する構成を採用してもよい。また、第１シール部５１０が、セパレータ３００と直接には接触せずに、これらの部材５１０、３００の間に他の部材が挿入されてもよい。また、第１シール部５１０を拡散層２１６、２１７に含浸させなくてもよい。また、第１シール部５１０が電解質膜２１２に直接には接触せずに、これらの部材５１０、２１２の間に他の部材が挿入されていてもよい（例えば、電極）。また、第１シール部５１０の形状としては、連続なループ形状の代わりに、島形状を採用してもよい。ただし、第１シール部５１０と電解質膜２１２とが直接接触する領域の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状を含むことが好ましい。こうすれば、そのループの内外間の流体漏洩を適切に抑制できる。

変形例２：
上述の各実施例において、固定部（固定フィルム２１８）の形状としては、連続なループ形状に限らず、種々の形状を採用可能である。例えば、穴を有する島形状を採用してもよい。この場合には、複数の固定部を、電解質膜２１２の周縁の全周に亘って配置し、そして、第１シール部５１０と固定部との接触領域を、電解質膜２１２の周縁の全周に亘って配置することが好ましい。こうすれば、第１シール部５１０と固定部との間の相対位置がずれることを適切に抑制できる。また、この場合には、製造方法として、凸部２１２ｃを有する電解質膜２１２を形成し、その後、凸部２１２ｃに固定部をはめ込む方法を採用可能である。ただし、第１シール部５１０と固定部とが接触する領域の形状は、電解質膜２１２の周縁の全周に亘る連続なループ形状を含むことが好ましい。いずれの場合も、固定部としては、シート状の部材を採用することが好ましい。こうすれば、燃料電池が過剰に大きくなることを抑制できる。

変形例３：
上述の各実施例において、固定フィルム２１８に設けられる穴としては、貫通穴２１８ｈに限らず、非貫通穴を採用してもよい。いずれの場合も、電解質膜２１２の凸部２１２ｃを穴に入れることによって、固定フィルム２１８と電解質膜２１２との間の相対的な位置ズレを抑制できる。また、穴の内壁に凹凸が設けられていても良い。こうすれば、電解質膜２１２の凸部２１２ｃが穴から抜けることを抑制できる。また、凸部２１２ｃの先端が、固定フィルム２１８の電解質膜２１２と接する面とは反対側の面に突出してもよい。ここで、凸部２１２ｃの先端を貫通穴２１８ｈよりも大きくすることによって、凸部２１２ｃが貫通穴２１８ｈから抜けることを抑制できる。

変形例４：
上述の各実施例において、電解質膜２１２の形成に利用する固定フィルム２１８としては、ミシン目２１８ｐを有するフィルムの代わりに、予めループ形状に加工されたフィルムを採用してもよい。ここで、電解質膜２１２の形成時に、固定フィルムのループの内部に電解質溶液２１２Ｌが流入してもよい。また、ループ内部に電解質溶液２１２Ｌが流入しないように、ループ内部を埋める鋳型を利用してもよい。

変形例５：
上述の各実施例において、シール一体アセンブリ（シール一体型膜電極接合体に相当する）の構成としては、図２に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、図１１のシール一体アセンブリＡＳＳＹａを採用してもよい。図２のシール一体アセンブリＡＳＳＹとの差異は、触媒電極層２１４ａ、２１５ａの大きさが、アノード側拡散層２１６よりも小さい点である（ＭＥＡ２１０ａの他の部分は、図２のＭＥＡ２１０と同じである）。これにより、アノード側触媒電極層２１４ａの周囲で、アノード側拡散層２１６と電解質膜２１２とが接合される。従って、アノード側拡散層２１６の周縁部分の内に第１シール部５１０ａを含浸させることによって、第１シール部５１０ａを電解質膜２１２と直接接触させることができる。その結果、クロスリークを、適切に抑制することができる。

また、燃料電池の構成としては、上述の各実施例とは異なる種々の構成を採用可能である。例えば、上述の各実施例において、アノード側の構成とカソード側の構成を入れ替えてもよい。また、拡散層２１６、２１７と多孔体２２０、２３０との少なくとも一部が省略されてもよい。また、シール一体アセンブリの構成としては、電解質膜と電極（アノードとカソード）と固定部とシール部とを有する種々の構成を採用可能である。

変形例６：
上述の各実施例において、セパレータ３００の構成としては、積層された複数の電解質膜２１２の間を区切るような任意の構成を採用可能である。例えば、セパレータ３００の表面にガス流路としての溝が形成されてもよい。

変形例７：
上述の各実施例において、燃料電池の種類としては種々の種類を採用可能である。例えば、固体高分子電解質型や、固体酸化物電解質型や、リン酸電解質型や、アルカリ水溶液電解質型や、溶融炭酸塩電解質型を採用可能である。また、電解質の種類に限らず、他の部材（例えば、電極や拡散層）に関しても、種々の実施態様を採用可能である。例えば、他の部材の材料を電解質膜に合わせて決定すればよい。

燃料電池１００を示す分解斜視図である。 図１に示すシール一体アセンブリＡＳＳＹのＩ−Ｉ断面図である。 シール一体アセンブリＡＳＳＹの製造方法を示す概略図である。 シール一体アセンブリＡＳＳＹの製造方法を示す概略図である。 シール一体アセンブリＡＳＳＹの製造方法を示す概略図である。 シール一体アセンブリＡＳＳＹの透視図である。 燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 シール一体アセンブリＡＳＳＹａを示す概略図である。

符号の説明

１００...燃料電池
２００...セルアセンブリ
２１０、２１０ａ...膜−電極接合体（ＭＥＡ）
２１２...電解質膜
２１２Ｌ...電解質溶液
２１２ｃ...凸部
２１２ｅ...端面
２１４、２１４ａ...アノード側触媒電極層
２１５、２１５ａ...カソード側触媒電極層
２１６...アノード側拡散層
２１６ｉ、２１７ｉ...含浸部分
２１７...カソード側拡散層
２１８...固定フィルム
２１８ｈ...貫通穴
２１８ｉ...ミシン目２１８ｐで囲まれた部分
２１８ｐ...ミシン目
２１９...カバーフィルム
２２０...アノード側多孔体
２３０...カソード側多孔体
３００...セパレータ
３１０...カソード対向プレート
３２０...中間プレート
３３０...アノード対向プレート
Ｓａ...アノード空間
Ｓｃ...カソード空間
３４２...貫通口
３４４...空気流路
３４６...空気供給口
３５２...貫通口
３５４...空気流路
３５６...空気排出口
３６２...貫通口
３６４...燃料流路
３６６...燃料供給口
３７２...貫通口
３７４...燃料流路
３７６...燃料排出口
３８２...貫通口
３８４...冷却媒体流路
３９２...貫通口
５１０、５１０ａ...第１シール部
５１２...リップ部
５２０...第２シール部
６４０...空気供給マニホールド
６５０...空気排出マニホールド
６６０...燃料ガス供給マニホールド
６７０...燃料ガス排出マニホールド
ＡＳＳＹ、ＡＳＳＹａ...シール一体アセンブリ
ＬＤ...積層方向
ＳＬ...シールライン

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜上に配置された固定部と、
   前記固定部に接触するシール部であって、前記シール部と前記電解質膜との間を通る流体漏洩を抑制するシール部と、
   を備え、
   前記固定部は穴を有し、
   前記電解質膜は前記穴に入る凸部を有する、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、前記電解質膜の周縁を全周に亘ってシールする、
   燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記固定部は、前記電解質膜の周縁の全周に亘るループ状の部分を含み、
   前記固定部の前記ループ状部分は、全周に亘って設けられた複数の前記穴を有し、
   前記電解質膜は、前記複数の穴のそれぞれに入る複数の前記凸部を有する、
   燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、前記電解質膜の周縁の全周に亘るループ状の部分を含み、
   前記シール部の前記ループ状部分は、全周に亘って前記固定部に接触している、
   燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   セパレータを有し、
   前記シール部は、前記セパレータに接触することによって、前記シール部と前記セパレータとの間を通る流体漏洩を抑制する、
   燃料電池。
6. シール一体型膜電極接合体を製造する方法であって、
   ループ状に配置された複数の貫通穴を有する固定シートを準備する工程と、
   前記固定シートの一方の面において、前記各貫通穴をカバー部材によって覆う工程と、
   前記固定シートの他方の面に電解質溶液を塗布することによって、前記貫通穴に入る凸部を有する電解質膜と、前記固定シートとの接合体を形成する工程と、
   前記カバー部材と前記接合体とを分離する工程と、
   前記固定シートに接触するシール部であって、前記シール部と前記電解質膜との間を通る流体漏洩を抑制するシール部を、前記接合体に設ける工程と、
   を備える方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記固定シートは、前記貫通穴によって囲まれる、ループ状のミシン目を有し、
   前記方法は、さらに、
   前記固定シートの前記穴を有する部分を残して、前記固定シートの前記ミシン目で囲まれる部分を前記接合体から分離する工程を含む、
   方法。

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