JP2009176611A - セルモジュールおよびセルモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを製造する工程を簡素化する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックを構成するセルモジュールであって、電解質膜と、電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、発電体の両面に配置され、各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、一対の多孔体流路形成部材の一方に当接して配置されるセパレータと、発電体の外周に設けられるシール部材と、を備え、発電体と、一対の多孔体流路形成部材と、セパレータと、シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
【選択図】図２

Description

この発明は、セルモジュールに関する。

従来の燃料電池には、電解質膜の両面に電極を接合して成る膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（membrane-electrode assembly）ともいう。）を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池がある（以下、「燃料電池スタック」ともいう。）。燃料電池スタックでは、ＭＥＡとセパレータとの間から、反応ガスが漏洩するのを防止するために、シール部材が設けられている。そのシール部材は、ＭＥＡと一体的に形成されて、シール部材一体型ＭＥＡという部品として提供されることが多い（例えば、特許文献１参照。）。上記のようなシール部材一体型ＭＥＡを用いて、燃料電池スタックを製造する場合には、位置決め用の治具を用いて、シール部材一体型ＭＥＡとセパレータとを、相互にずれないように積層している。

特開２００７−１８８８３４号公報

しかしながら、燃料電池スタックとしては、数百枚のシール部材一体型ＭＥＡを備えるものが多い。シール部材一体型ＭＥＡとセパレータとを、合わせて、数百枚を積層する場合には、製造工程において、手数がかかり、さらに、たとえ、治具を用いていても、枚数が多いと、相互にずれが生じやすいという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを製造する工程を簡素化す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］ 燃料電池スタックを構成するセルモジュールであって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、
前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、
前記一対の多孔体流路形成部材の一方に当接して配置されるセパレータと、
前記発電体の外周に設けられるシール部材と、
を備え、
前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。

適用例１のセルモジュールによれば、発電体と、一対の多孔体流路形成部材と、セパレータと、シール部材とは、一体的に固定して成るため、セルモジュールを複数積層して成る燃料電池スタックを製造する場合に、発電体とセパレータとが別体になっている場合と比べて、製造工程を簡素化することができる。また、製造工程が簡素化されることにより、製造公差を低減させることができる。

［適用例２］ 適用例１に記載のセルモジュールにおいて、
前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータは、前記シール部材と、接着されていることを特徴とするセルモジュール。

適用例２のセルモジュールでは、例えば、シール部材を射出成形する際に、発電体、一対の多孔体流路形成部材、セパレータとシール部材を接着することにより、容易に、発電体と、一対の多孔体流路形成部材と、セパレータと、シール部材とを、一体的に固定することができる。

［適用例３］ 適用例１または２に記載のセルモジュールにおいて、
前記多孔体流路形成部材は、
前記多孔体流路形成部材の周縁から所定の距離を空けて、気孔率が低い低気孔率部が設けられることを特徴とするセルモジュール。

例えば、射出成形によりシール部材を形成するときに、多孔体流路形成部材の周縁から内側に向かって、シール部材が浸入する場合があるが、適用例３のセルモジュールによれば、多孔体流路形成部材の低気孔率部より内側に、シール部材が浸入しにくくなるため、反応ガスの流通が悪化するのを抑制することができる。

［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
前記シール部材と、前記セパレータとが接着される部分には、前記シール部材と、前記セパレータとの接着性を向上させる第１の接着性向上層が設けられることを特徴とするセルモジュール。

第１の接着性向上層を設けることにより、シール部材とセパレータとを、所定の接着強度で接着させることができる。

［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
前記多孔体流路形成部材の、前記シール部材が含浸された含浸部と、前記セパレータとが接触する部分には、前記含浸される前記シール部材と、前記セパレータとの接着性を向上させる第２の接着性向上層が設けられることを特徴とするセルモジュール。

第２の接着性向上層を設けることにより、多孔体流路形成部材と、セパレータと、をシール部材を介して、所定の接着強度で接着させることができる。

［適用例６］ 適用例５に記載のセルモジュールにおいて、
前記第１の接着性向上層と前記第２の接着性向上層は、同一の材料より成ることを特徴とするセルモジュール。

第１の接着性向上層と第２の接着性向上層を、同一の材料にすることにより、セルモジュールの製造工程を簡易化することができる。

［適用例７］ 適用例１ないし６のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
前記セパレータは、
前記反応ガスを、前記多孔体流路形成部材に供給する反応ガス供給口を備え、
前記シール部材は、
前記多孔体流路形成部材の周縁から内側に向かって、前記反応ガス供給口と当接する位置まで含浸されることを特徴とするセルモジュール。

シール部材が、多孔体流路形成部材の周縁から内側に向かって、反応ガス供給口と当接する位置まで含浸されると、シール部材により、多孔体流路形成部材とセパレータとが接着されるため、反応ガス供給口よりも外側に、反応ガスが流出するのを抑制することができる。したがって、反応効率の低減を抑制することができる。

［適用例８］ 適用例１ないし７のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
前記セパレータは、
前記発電体のアノード側の電極触媒層側に配置される前記多孔体流路形成部材に当接するように配置されることを特徴とするセルモジュール。

燃料電池スタックの運転中には、電解質膜の酸（例えば、フッ素）が燃料電池内に存在する水に溶け出して、酸性水ができることがある。その酸性水が、シール部材に接すると、シール部材が劣化するおそれがある。アノード側では、カソード側に比べて、酸性水が濃縮されて、酸性が強くなる傾向にあり、劣化が懸念される。これに対し、適用例８のセルモジュールは、セパレータがアノード側に配置されて固定されているため、アノード側の酸性水が、シール部材に接触しにくく、シール部材の劣化を抑制することができる。

［適用例９］ 適用例１ないし８のいずれか一つに記載のセルモジュールであって、
前記セルモジュールが複数積層されて成る前記燃料電池スタックが、車両に積層される場合には、前記燃料電池スタックの積層面が、前記車両の床面に対して略垂直になるように配置されることを特徴とするセルモジュール。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、セルモジュール、そのセルモジュールを複数積層して成る燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体、およびセルモジュールの製造方法等の形態で実現することができる。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．実施例の構成：
Ａ１−１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としてのセルモジュール１００を複数積層して成る燃料電池スタック１０Ａの構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０Ａは、アノードガスとしての水素とカソードガスとしての空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池であり、図１に示すように、一端からエンドプレート１２、絶縁板１４、集電板１６、複数のセルモジュール１００、集電板１８、絶縁板２０、エンドプレート２２の順に積層されて構成される。

そして、テンションプレート（図示しない）を、ボルト（図示しない）によって、エンドプレート１２、エンドプレート２２に締結することにより、燃料電池スタック１０Ａは、セルモジュール１００の積層方向（図中の前後方向）に、所定の押圧力がかかった状態で保持されている。なお、集電板１６、１８には、それぞれ出力端子１６ｏ、１８ｏが設けられており、燃料電池スタック１０Ａで発電した電力を出力可能となっている。

エンドプレート１２には、各セルモジュール１００にアノードガスを供給するための供給口１２２、各セルモジュール１００から排出されるアノード排ガスを燃料電池スタック１０Ａ外に排出するための排出口１２４、各セルモジュール１００にカソードガスを供給するための供給口１２６、各セルモジュール１００から排出されるカソード排ガスを燃料電池スタック１０Ａ外に排出するための排出口１２８が設けられている。各供給口１２２、１２６および、排出口１２４、１２８には、それぞれ、配管（図示しない）が接続され、各配管を介して、アノードガス、カソードガスが、燃料電池スタック１０Ａに供給され、また燃料電池スタック１０Ａから排出される。なお、本実施例の燃料電池スタック１０Ａは、積層面が車両の床面に対して略垂直になるように配置される。すなわち、図中に示す上下方向は、車両の床面に対して略垂直な上下方向を表している。

Ａ１−２．セルモジュールの構成：
図２は、セルモジュール１００の平面構成を示す平面図であり、図３は、セルモジュール１００の図２におけるＡ−Ａ切断面の概略構成を示す断面図である。図２は、セルモジュール１００を、カソード側多孔体３４０側から見て示している。セルモジュール１００は、図２、３に示すように、平面形状が略長方形状を成すセパレータ２００のアノード対向プレート２２０（後に詳述する）側にアノード側多孔体３２０、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）４００、カソード側多孔体３４０の順に積層され、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の外周に、枠状に、シールガスケット５００が形成されている。本実施例におけるセパレータ２００が請求項におけるセパレータに、アノード側多孔体３２０およびカソード側多孔体が請求項における多孔体流路形成部材に、ＭＥＡ４００が請求項における発電体に、それぞれ相当する。

セルモジュール１００の周縁部、すなわち、シールガスケット５００が設けられている部分には、複数の貫通孔が設けられている。図２に示すように、略長方形を成すセルモジュール１００の上辺に沿って、カソードガスとしての空気を流通させるための、カソードガス供給用貫通孔１０６が、３つ形成されており、セルモジュール１００の下辺に沿って、カソード排ガスを流通させるための、カソード排ガス排出用貫通孔１０８が、３つ形成されている。セルモジュール１００の左上の角には、アノードガスとしての水素を供給するためのアノードガス供給用貫通孔１０２、右下の角には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出用貫通孔１０４が、それぞれ一つずつ形成されている。そして、セルモジュール１００の左右の辺に沿って、燃料電池スタック１０Ａ内に、冷却水を流通させるための冷却水用貫通孔１１０、１１２が、それぞれ一つずつ設けられている。これらの貫通孔は、シールガスケット５００と、セパレータ２００とにそれぞれ形成されている各貫通孔（後述する）によって、構成されている。

各貫通孔およびカソード側多孔体３４０の周囲には、凸部が形成され、セルモジュール１００を複数積層した場合に、その凸部が、セパレータ２００に押圧されることにより、シール性が確保される。凸部により形成されるシールラインＳＬを、図２、３において、破線で示している。

ＭＥＡ４００は、図３（ａ）に示すように、電解質膜４２０の両面に、それぞれ、アノード４４０、カソード４６０が接合されて成る。なお、本実施例において、電解質膜４２０としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、用いている。アノード４４０およびカソード４６０としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された触媒層に、カーボンクロスより成る拡散層（図示しない）が積層されて成るものを、用いている。なお、ＭＥＡ４００を構成すると、拡散層が多孔体３２０、３４０と対向するように、アノード４４０、カソード４６０は、電解質膜４２０に接合されている。

シールガスケット５００は、シリコンゴムを用いて射出成型により形成されている。シールガスケット５００を成形する際には、シリコンゴムを、アノード４４０、カソード４６０およびアノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０内部の空隙に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシールガスケット５００と、ＭＥＡ４００および多孔体３２０、３４０とを結合している。そして、後述するように、シールガスケット５００とセパレータ２００とは、プライマ層６００を介して接着されている。このようにして、セルモジュール１００は、各構成部品がシール部材を介して接着されて、一体化されている。なお、シリコンゴムに代えて、ＥＰＤＭ（Ethylene-Propylene diene terpolymer：エチレン・プロピレン・ジエン共重合体）、フッ素ゴム、ＰＩＢ（Polyisobutyrene：ポリイソブチレン）等の、低温特性およびガスシール性のよい樹脂を用いてもよい。

セパレータ２００は、図３（ａ）に示すように、アノード側多孔体３２０と当接するアノード対向プレート２２０と、カソード側多孔体３４０と当接するカソード対向プレート２４０と、アノード対向プレート２２０およびカソード対向プレート２４０に狭持された中間プレート２６０と、が積層された３層構造を有している。セパレータ２００を構成する３枚のプレート（アノード対向プレート２２０、カソード対向プレート２４０、中間プレート２６０）は、略長方形を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。

図４は、アノード対向プレート２２０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート２２０の周縁部には、上記したアノードガス供給用貫通孔１０２、アノード排ガス排出用貫通孔１０４、カソードガス供給用貫通孔１０６、カソード排ガス排出用貫通孔１０８、冷却水用貫通孔１１０、１１２を構成する、アノードガス供給用貫通孔１０２ａ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ａ、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａ、冷却水用貫通孔１１０ａ、１１２ａが形成されている。

さらに、複数のアノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈが、アノード対向プレート２２０の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、アノードガス供給口２２２ｈから、アノード側多孔体３２０にアノードガスとしての水素が供給され、アノード排ガス排出口２２４ｈから、アノード排ガスが排出される。本実施例におけるアノードガス供給口２２２ｈが、請求項における反応ガス供給口に相当する。

図５は、中間プレート２６０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、中間プレート２６０には、上記したアノード対向プレート２２０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍが形成されている。

さらに、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍから複数のアノードガス供給口２２２ｈに水素が流れるように、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍと複数のアノードガス供給口２２２ｈとを接続するアノードガス供給用接続部１０２ｊ、が形成されている。同様に、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍと複数のアノード排ガス排出口２２４ｈとを接続するアノード排ガス排出用接続部１０４ｊが、形成されている。

また、３つのカソードガス供給用貫通孔１０６ｍから、後述する複数のカソードガス供給口２４６ｈに空気が流れるように、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍと複数のカソードガス供給口２４６ｈとを接続するカソードガス供給用接続部１０６ｊ、が形成されている。同様に、後述する複数のカソード排ガス排出口２４８ｈから、３つのカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍにカソード排ガスが流れるように、複数のカソード排ガス排出口２４８ｈとカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍとを接続するカソード排ガス排出用接続部１０８ｊ、が形成されている。

また、発電によって燃料電池スタック１０Ａの温度が上昇するのを抑制するために、ＭＥＡ４００全体を冷却するように、セパレータ２００内に冷却水を流す、冷却水流路１１０ｐが、形成されている。

図６は、カソード対向プレート２４０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート２４０には、上記したアノード対向プレート２２０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｃ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｃ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｃ、冷却水用貫通孔１１０ｃ、１１２ｃが形成されている。

さらに、複数のカソードガス供給口２４６ｈ、カソード排ガス排出口２４８ｈが、カソード対向プレート２４０の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａよりも内側に形成されている。形成されている。図に矢印で示すように、カソードガス供給口２４６ｈから、カソード側多孔体３４０にカソードガスとしての空気が供給され、カソード排ガスが、カソード排ガス排出口２４８ｈを介して排出される。

図７は、セパレータ２００の平面構成を概略的に示す平面図である。セパレータ２００は、先に説明したように、アノード対向プレート２２０と、中間プレート２６０と、カソード対向プレート２４０とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート２２０側から見た様子を示している。図から分かるように、アノード対向プレート２２０と、中間プレート２６０と、カソード対向プレート２４０を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ２００を貫通する各貫通孔が形成される。

また、アノード対向プレート２２０、中間プレート２６０、カソード対向プレート２４０を重ねることによって、図示するように、アノードガス供給用貫通孔１０２と、アノードガス供給用接続部１０２ｊと、アノードガス供給口２２２ｈとが繋がって、アノードガス（水素）の供給路が形成される。同様に、アノード排ガスの排出路、カソードガス（空気）の供給路、カソード排ガスの排出路が形成される。

図８は、本実施例のアノード側多孔体３２０の平面構成を説明するための平面図である。図８では、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０の上に、アノード側多孔体３２０が積層された状態を示している。なお、セパレータ２００のアノードガス供給口２２２ｈおよびアノード排ガス排出口２２４ｈを破線で示している。図８に示すように、カソード側多孔体３４０は、平面略長方形の平板状を成し、耐食性を有するステンレス鋼の粉末を用いて作成された発砲焼結金属から成る。

図示するように、アノード側多孔体３２０には、アノード側多孔体３２０の各辺から所定の距離を空けて、各辺に沿って枠状の目止め部３２２が設けられている。図８および図３（ｂ）に示すように、目止め部３２２のうち、アノード側多孔体３２０の上下辺に沿って形成される部分は、それぞれ、アノードガス供給口２２２ｈおよびアノード排ガス排出口２２４ｈの外側に、配置される。目止め部３２２は、シールガスケット５００と同一のシリコンゴムを用いて、スクリーン印刷により形成される。なお、シールガスケット５００と同一のシリコンゴムの代わりに、他のゴムやプラスチック等の樹脂を用いても良い。本実施例における目止め部３２２が、請求項における低気孔率部に相当する。

図９は、本実施例のカソード側多孔体３４０の平面構成を、説明するための平面図である。図９では、カソード側多孔体３４０におけるカソード対向プレート２４０に対する目止め部３４２の配置を明瞭に示すために、セパレータ２００のカソード対向プレート２４０の上に、カソード側多孔体３４０を重ねて表示している（すなわち、セルモジュール１００を積層した状態を、カソード側多孔体３４０側からカソード対向プレート２４０を見て示している。）。なお、セパレータ２００のカソードガス供給口２４６ｈおよびカソード排ガス排出口２４８ｈを破線で示している。図９に示すように、カソード側多孔体３４０は、平面略長方形の平板状を成し、アノード側多孔体３２０と同様の発砲焼結金属から成る。なお、図３（ｂ）に示すように、カソード側多孔体３４０は、アノード側多孔体３２０よりも外形が小さく形成されている。

図示するように、カソード側多孔体３４０には、カソード側多孔体３４０の各辺から所定の距離を空けて、各辺に沿って枠状の目止め部３４２が設けられている。図８に示すように、目止め部３４２のうち、カソード側多孔体３４０の上下辺に沿って形成される部分は、それぞれ、カソードガス供給口２４６ｈおよびカソード排ガス排出口２４８ｈの外側に、配置される。本実施例における目止め部３４２が、請求項における低気孔率部に相当する。

このように、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０には、それぞれ、目止め部３２２、３４２が設けられているため、セルモジュール１００の製造時（後述する）、シールガスケット５００を射出成形するときに、シールガスケット５００の原料である流動性を有する液状のシリコンゴムが、アノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈよりも内側にまで、アノード側多孔体３２０に侵入するのを抑制することができる。同様に、カソードガス供給口２４６ｈ、カソード排ガス排出口２４８ｈよりも内側にまで、シリコンゴムがカソード側多孔体３４０に侵入するのを抑制することができる。これにより、流動性の高いシリコンゴムを用いた場合であっても、反応ガスの給排口が、シリコンゴムによって、封止されたり、反応ガスの流路を形成する多孔体の内の空隙が塞がれることを、抑制することができ、反応ガスの流通を確保することができる。

図３（ｂ）に示すように、シールガスケット５００とアノード対向プレート２２０との間、およびアノード側多孔体３２０（シリコンゴムが含浸されている箇所および目止め部３２２が形成されている箇所）とアノード対向プレート２２０との間には、プライマ層６００が形成されている。プライマ層６００により、シリコンゴムとステンレス鋼の接着性が向上され、シールガスケット５００とアノード対向プレート２２０とが、所定の接着強度で接着されると共に、アノード側多孔体３２０とアノード対向プレート２２０とが所定の接着強度で接着される。これにより、ＭＥＡ４００と、アノード側多孔体３２０と、カソード側多孔体３４０と、セパレータ２００と、シールガスケット５００とが、一体化されて固定されたセルモジュール１００が作製される。本実施例におけるプライマ層６００が、請求項における第１の接着性向上層および第２の接着性向上層に相当する。

Ａ２．セルモジュールの製造方法：
次に、本実施例のセルモジュール１００の製造方法について、図１０ないし１３に基づいて、説明する。図１０は、セルモジュール１００の製造工程を示すフローチャート、図１１は、セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０２を説明するための説明図、図１２は、セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０４を説明するための説明図、図１３は、セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０６を説明するための説明図である。

セルモジュール１００の製造工程を説明するに先立って、シールガスケット５００を射出成形するための金型１０００および射出装置１５００について、図１２に基づいて説明する。図１２に示すように、金型１０００は、上型１１００、下型１２００、下型コア型１３００を備える。上型１１００には、ゲート１１１０が形成されている。ゲート１１１０は、型締めされた金型１０００内に樹脂材料を注入するための樹脂注入口である。図示するように、上型１１００には、シールガスケット５００のシールラインＳＬを形成する凹凸部が形成されている。一方、下型コア型１３００には、セパレータ２００が嵌るような長方形状の凹部が形成されている。

下型１２００は静止固定されており、上型１１００が下型１２００に向かって移動して、上型１１００と下型１２００が型閉じされる。上型１１００と下型１２００とが、任意の圧力で型締めされる。

下型コア型１３００は、上型１１００および下型１２００の型締めとは別に上型１１００に向かって独立に加圧され、上型１１００と型閉じされる。上型１１００と下型１２００、および、上型１１００と下型コア型１３００とが型締めされると、上型１１００に形成されている凹凸部を含むキャビティが、上型１１００と下型コア型１３００との間に形成される。

射出装置１５００はシールガスケット５００の原料である流動性を有する液状のシリコンゴム５２を金型１０００に注入する装置である。射出装置１５００は、液状のシリコンゴム５２を射出するためのノズル１５１０を備える。射出装置１５００には、一定温度に溶融された液状のシリコンゴム５２が格納されており、型締めされた金型１０００のキャビティに、ゲート１１１０を介して液状のシリコンゴム５２を注入する。本実施例におけるシリコンゴム５２が、請求項におけるシール部材原料に相当する。

セルモジュール１００の製造工程について、図１０ないし図１３に基づいて説明する。まず、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０側の外周部（図１１において、ハッチングを付して示す。）に、プライマを塗布し、プライマ層６００を形成する（ステップＳ１０２）。プライマとしては、シリコンゴムをステンレス鋼製のセパレータ２００に架橋接着させる（後述する）場合に、シリコンゴムとステンレス鋼との接着性を向上させるものであればよい。例えば、下塗り（金属面）と上塗り（ゴム接着面）との２層で構成されてもよい。

続いて、セパレータ２００のアノード対向プレート２２０の上に、アノード側多孔体３２０、ＭＥＡ４００、カソード側多孔体３４０の順に積層して、その積層体を、図１２に示すように、金型１０００の下型コア型１３００の凹部にセパレータ２００が嵌るように、セットする（ステップＳ１０４）。なお、本実施例では、アノード側多孔体３２０には、目止め部３２２、カソード側多孔体３４０には目止め部３４２が、それぞれ、既に形成されているものを用いている。上記したように、目止め部３２２、３４２は、シールガスケット５００と同一のシリコンゴムを用いて、スクリーン印刷により形成されるが、スプレーノズルからシリコンゴムを射出して多孔体３２０、３４０にシリコンゴムを含浸させることによって形成してもよい。また、シリコンゴムの代わりに、エポキシ樹脂、アルキド樹脂を用いてもよい。本実施例におけるアノード側多孔体３２０が、請求項における第１の多孔体流路形成部材に、カソード側多孔体３４０が、請求項における第２の多孔体流路形成部材に、それぞれ相当する。

そして、上記したように金型１０００を型締めし（図１３）、射出装置１５００から液状のシリコンゴム５２を金型１０００のキャビティーに注入する（ステップｓ１０６）。

本実施例では、熱硬化性のシリコンゴム５２を用いているため、加熱処理を施し液状のシリコンゴム５２を硬化させる（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０６において、液状のシリコンゴムを金型１０００のキャビティに流しこんだときに、アノード４４０、カソード４６０、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０内部の空隙に、シリコンゴム５２が含浸される。そして、ステップＳ１０８においてシリコンゴム５２が硬化されることにより、いわゆるアンカー効果によりシールガスケット５００と、ＭＥＡ４００および多孔体３２０、３４０とが接着される。

また、ステップＳ１０８においてシリコンゴム５２が硬化されるときに、架橋接着により、シールガスケット５００とセパレータ２００とが接着される。同様に、アノード側多孔体３２０に含浸されたシリコンゴム５２によって、架橋接着によりアノード側多孔体３２０とセパレータ２００とが接着される。なお、ステップＳ１０２において、セパレータ２００にはプライマ層６００が形成されているため、シールガスケット５００とセパレータ２００、およびアノード側多孔体３２０とセパレータ２００とは、所定の接着強度で接着されている。

キャビティ内のシリコンゴム５２が充分に硬化された後、金型１０００の型開きをして取り出すと（ステップＳ１１０）、ＭＥＡ４００および多孔体３２０、３４０の周囲にシールガスケット５００が形成され、各構成部品がシールガスケット５００を介して接着され、一体化されて成るセルモジュール１００が形成される。

Ａ３．実施例の効果：
本実施例のセルモジュール１００は、ＭＥＡ４００、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０、セパレータ２００、およびシールガスケット５００が接着されて、一体化されている。そのため、燃料電池スタック１０Ａを製造する場合には、任意の枚数のセルモジュール１００を積層すればよい。従って、従来のシールガスケット一体型ＭＥＡと、セパレータとを交互に積層する場合と比べて、燃料電池スタックを製造する場合に、積層する部品の数を減らすことができ、工程を簡素化することができるようになる。また、燃料電池スタックを製造する場合に、積層する部品の数を減らすことによって、積層時の各部品間のズレを低減させることができ、燃料電池スタック全体としての公差を減らすことができるようになる。

また、従来は、シールガスケット一体型ＭＥＡと、セパレータとは接着されていなかったため、シールガスケット一体型ＭＥＡと、セパレータとの間の僅かな隙間を介して、アノードガス供給口２２２ｈの外側にアノードガスが流れ出て、電極反応に用いられることなく、アノード排ガス排出口２２４ｈから排出されるという問題があった。これに対し、本実施例のセルモジュール１００は、図３（ｂ）、図１２に示すように、アノード対向プレート２２０において、アノードガス供給口２２２ｈおよびアノード排ガス排出口２２４ｈの間際まで、プライマ層６００が形成されている。そのため、アノード対向プレート２２０の、アノードガス供給口２２２ｈおよびアノード排ガス排出口２２４ｈより外側は、シールガスケット５００およびアノード側多孔体と、十分な接着強度で接着されている。したがって、アノードガス供給口２２２ｈを介してアノード４４０に供給されるアノードガス（水素）が、ほぼ全て、アノード側多孔体３２０に供給されて、効率よく発電に用いられるようになるため、発電効率の低下を抑制することができる。

また、燃料電池スタック１０Ａの運転中には、電解質膜４２０のフッ素が燃料電池内に存在する水に溶け出すことがある。このようにフッ素が溶け出して酸性になった水（以下、酸性水ともいう。）が、シリコンゴム製のシールガスケットに接すると、シールガスケットが劣化するおそれがある。カソード側では、電極反応の際に水が生成されるが、アノード側では、水は生成されず、さらに、燃料電池システムにおいて、アノードガスを循環させて再利用する場合があるため、アノード側では、カソード側に比べて、酸性水が濃縮されて、酸性が強くなる傾向にある。そのため、アノード側では、特に、酸性水によるシールガスケットの劣化が問題となる。これに対し、本実施例のセルモジュール１００は、上記の通り、アノード対向プレート２２０の、アノードガス供給口２２２ｈおよびアノード排ガス排出口２２４ｈより外側は、シールガスケット５００およびアノード側多孔体と、十分な接着強度で接着されている。そのため、アノード側の酸性水が、シールガスケット５００に接するおそれはほとんどない。したがって、シールガスケット５００の酸性水による劣化を低減させることができる。

また、本実施例のセルモジュール１００は、アノード対向プレート２２０とシールガスケット５００とが、プライマ層６００を介して化学的に接着されているため、アノードガスの漏洩を抑制することができる。一方、シールガスケット５００のカソード対向プレート２４０と対向する側には、凸部が設けられており、凸部がカソード対向プレート２４０に押圧されることによって、物理的にシール性が確保され、カソードガスの漏洩を抑制することができる。

また、本実施例のセルモジュール１００の製造方法では、予め目止め部３２２が形成されているアノード側多孔体３２０、および予め目止め部３４２が形成されているカソード側多孔体３４０を用いている。そのため、シリコンゴム５２を射出成形する場合に、アノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈ、カソードガス供給口２４６ｈ、カソード排ガス排出口２４８ｈよりも内側には、シリコンゴム５２が、浸入しない。したがって、反応ガスの給排が妨げられず、発電効率の低下を抑制できる。

Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．実施例の構成：
図１４は、本実施例のセルモジュール１００Ｂの構成を示す説明図である。本実施例のセルモジュール１００Ｂは、図示するように、第１の実施例のセルモジュール１００の構成に加え、さらに、導電性撥水フィルム７００を備える。そのため、第１の実施例のセルモジュール１００と同一の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１４（ａ）に示すように、導電性撥水フィルム７００は、外形が略長方形状を成すフィルムである。導電性撥水フィルム７００には、上下辺に沿ってスリット７０２、７０４が設けられている。導電性撥水フィルム７００は、カーボンペーストを含浸させた、多孔質状のＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene：４フッ化エチレン樹脂）フィルムであり、透水性、透気性、導電性を有する。なお、ＰＴＦＥに代えて、ＥＴＦＥ（４フッ化エチレン・エチレン共重合樹脂）、ＰＦＡ（Tetrafluoroethylene perfluoroalkoxy vinyl ether copolymer：４フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）、ＰＶＤＦ(Polyvinylidene fluoride：フッ化ビニリデン樹脂）等の他の樹脂を用いた、透水性、透気性、導電性を有する多孔質状のフィルムを、用いてもよい。

図１４（ａ）に示すように、導電性撥水フィルム７００を、カソード側多孔体３４０の上に積層すると、導電性撥水フィルム７００は、カソード側多孔体３４０の周囲に形成されているシールラインＳＬの内側に、嵌った状態になる（図１４（ｂ））。

図１５は、図１４におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。セルモジュール１００Ｂが複数積層されて成る１０Ｂの一部を示している。図示するように、セルモジュール１００Ｂを積層すると、セパレータ２００のカソード対向プレート２４０と導電性撥水フィルム７００が当接する。そして、導電性撥水フィルム７００に形成されるスリット７０４が、カソード排ガス排出口２４８ｈの配置されている位置と一致する。また、導電性撥水フィルム７００に形成されるスリット７０２が、カソードガス供給口２４６ｈの配置されている位置と一致する（図示しない）。導電性撥水フィルム７００にスリット７０２、７０４が設けられているため、導電性撥水フィルム７００によって、カソードガスの供給およびカソード排ガスの排出は阻害されにくい。また、導電性撥水フィルム７００によって、シールガスケット５００とセパレータ２００とにより形成される空間（後述する）が埋められる。

Ｂ２．実施例の効果：
本実施例のセルモジュール１００Ｂの効果について、第１の実施例のセルモジュール１００と比較して説明する。図１６は、第１の実施例のセルモジュール１００を複数積層して成る燃料電池スタック１０Ａの一部を示す断面図である。図１６に示すように、セルモジュール１００を積層すると、シールガスケット５００の凸部がカソード対向プレート２４０に押圧されて、シール性が確保され、カソードガスの漏洩を抑制することができる。しかしながら、凸部を形成すると、シールガスケット５００の形状により、シールガスケット５００とカソード対向プレート２４０との間に空間Ｒが形成される。セルモジュール１００を複数積層して成る燃料電池スタック１０Ａが、図１６に示すように、積層面が床面（例えば、車両の）に垂直に配置されると、燃料電池スタック１０Ａの運転中に、カソード４６０で生成された生成水が、重力により、シールガスケット５００とカソード対向プレート２４０との間の僅かな隙間を通って、空間Ｒに溜まる場合がある。上記したように、生成水に、電解質膜４２０中のフッ素が溶け出して、生成水が酸性水になる場合がある。そうすると、酸性水が空間Ｒに溜まることにより、シールガスケット５００が劣化する恐れがある。

それに対し、本実施例のセルモジュール１００Ｂは、導電性撥水フィルム７００を備え、図１５に示すように、導電性撥水フィルム７００により、空間Ｒが埋められている。図１５に示すように、導電性撥水フィルム７００のスリット７０４を介して、カソード排ガスが排出されるため、スリット７０４の近傍は、カソード排ガスにより乾燥され、水の濃度が薄い。一方、導電性撥水フィルム７００のうち、空間Ｒを埋めている部分は、重力により水が溜まりやすいため、スリット７０４の近傍に比べて、水濃度が高い。従って、導電性撥水フィルムの面内において、スリット７０４から下に向かって、水濃度が高くなる。導電性撥水フィルム７００は、互いに連通する多孔質状であるため、濃度勾配が生じると、毛細管現象により、空間Ｒに溜まる水は吸い上げられて、スリット７０４およびカソード排ガス排出口２４８ｈを介して排出される。従って、シールガスケット５００とカソード対向プレート２４０との間に水が溜まりにくくなるため、酸性水によるシールガスケット５００の劣化を抑制することができる。

Ｃ．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。

（１）上記した実施例において、セルモジュール１００を製造する際に、シールガスケット５００を射出成形することによって、ＭＥＡ４００と、アノード側多孔体３２０と、カソード側多孔体３４０と、セパレータ２００と（以下、これらをまとめて、セルモジュールの構成部材ともいう）、をシールガスケット５００にて接着して、一体化させて固定しているが、セルモジュールの構成部材を一体化させて固定する方法は、この方法に限定されない。例えば、各構成部材を、接着剤によって接着させてもよいし、各構成部材を嵌め合わせ構造（互いに嵌合する凹部と凸部を組み合わせる構造）にして、固定してもよいし、その他、公知の種々の方法で固定してもよい。このようにしても、セルモジュールを積層する際の工程を簡素化でき、製造公差を小さくする効果を得ることができる。

（２）また、上記した実施例において、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０には、それぞれ、目止め部３２２、３４２が形成されているが、目止め部３２２、３４２は、形成されていなくてもよい。例えば、シールガスケット５００の原料として、流動性の小さい原料を用いた場合等は、多孔体３２０、３４０の内部に向かって、シールガスケット５００が浸入する量が少なくなるため、目止め部３２２、３４２が形成されていなくても、アノードガス、カソードガスの給排を妨げることがほとんどないからである。

（３）上記した実施例において、アノード側多孔体３２０、カソード側多孔体３４０に、スクリーン印刷によって目止め部３２２、３４２を形成して、気孔率を小さくしているが、気孔率を調整する方法はこれに限定されない。例えば、スラリー発泡法にて多孔体を形成する際に、気孔率を小さくしたい領域には、発泡剤の含有量が他の領域よりも少ないスラリーを利用して、多孔体を形成してもよい。また、気孔率を小さくしたい領域を、他の領域よりも隆起させて形成した後に、隆起している部分をプレスすることにより気孔をつぶして、気孔率を小さくしてもよい。このようにしても、上記した実施例と同様に、シールガスケット５００の原料であるシリコンゴム５２が、多孔体に浸入する範囲を調節することができる。

（４）上記した実施例において、プライマ層６００を、アノード対向プレート２２０の、アノードガス供給口２２２ｈ、アノード排ガス排出口２２４ｈの間際まで、形成しているが、少なくともアノード対向プレート２２０の、シールガスケット５００と接触する領域に、プライマ層６００が形成されればよい。このようにしても、ＭＥＡ４００と、多孔体３２０、３４０は、シールガスケット５００のアンカー効果により接着されて一体化されているため、シールガスケット５００とセパレータ２００がプライマ層６００により所定の接着強度で接着されれば、ＭＥＡ４００と、多孔体３２０、３４０と、シールガスケット５００と、セパレータ２００とは、一体化されて固定される。また、シールガスケット５００とセパレータ２００がプライマ層６００により所定の接着強度で接着されれば、シールガスケット５００が酸性水に曝され難くなるため、シールガスケット５００の劣化を抑制することができる。

（５）また、上記した実施例において、アノード対向プレート２２０の周縁を一周するように、プライマ層６００が形成されているが、プライマ層６００が形成される領域は、上記した実施例に限定されない。例えば、燃料電池スタックを配置する場合に、下側になる領域（図１１において、下辺に沿って縁辺からアノード排ガス排出口２２４ｈの下までの領域）だけにプライマ層６００を形成してもよい。上記したように、酸性水は重力により、下側に溜まる傾向にあるため、このようにしても、酸性水によるシールガスケット５００の劣化を抑制することができる。

（６）さらに、シールガスケット５００の射出成形による直接架橋接着により、アノード対向プレート２２０とシールガスケット５００とが、十分な接着強度を持って接着される場合には、プライマ層６００を形成しなくてもよい。このようにしても、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。

（７）上記した実施例において、セパレータ２００は、アノード側多孔体３２０側に接着されているが、カソード側多孔体３４０側に接着されてもよい。このようにしても、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。

（８）上記した実施例において、アノード４４０およびカソード４６０としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された触媒層に、カーボンクロスより成る拡散層（図示しない）が積層されて成るものを、用いているが、拡散層を備えない構成にしてもよい。

本発明の第１の実施例としてのセルモジュール１００を複数積層して成る燃料電池スタック１０Ａの構成を示す説明図である。 セルモジュール１００の平面構成を示す平面図である。 セルモジュール１００の図２におけるＡ−Ａ切断面の概略構成を示す断面図である。 アノード対向プレート２２０の平面構成を概略的に示す平面図である。 中間プレート２６０の平面構成を概略的に示す平面図である。 カソード対向プレート２４０の平面構成を概略的に示す平面図である。 セパレータ２００の平面構成を概略的に示す平面図である。 第１の実施例のアノード側多孔体３２０の平面構成を説明するための平面図である。 第１の実施例のカソード側多孔体３４０の平面構成を説明するための平面図である。 セルモジュール１００の製造工程を示すフローチャートである。 セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０２を説明するための説明図である。 セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０４を説明するための説明図である。 セルモジュール１００の製造工程におけるステップＳ１０６を説明するための説明図である。 第２の実施例のセルモジュール１００Ｂの構成を示す説明図である。 図１４におけるＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。 第１の実施例のセルモジュール１００を複数積層して成る燃料電池スタック１０Ａの一部を示す断面図である。

符号の説明

１０Ａ…燃料電池スタック
１２、２２…エンドプレート
１４、２０…絶縁板
１６、１８…集電板
１６ｏ、１８ｏ…出力端子
５２…シリコンゴム
１００、１００Ｂ…セルモジュール
１０２…アノードガス供給用貫通孔
１０２ａ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｃ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｊ…アノードガス供給用接続部
１０２ｍ…アノードガス供給用貫通孔
１０４…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ａ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ｃ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ｊ…アノード排ガス排出用接続部
１０４ｍ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０６…カソードガス供給用貫通孔
１０６ａ…カソードガス供給用貫通孔
１０６ｃ…カソードガス供給用貫通孔
１０６ｊ…カソードガス供給用接続部
１０６ｍ…カソードガス供給用貫通孔
１０８…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ａ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ｃ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ｊ…カソード排ガス排出用接続部
１０８ｍ…カソード排ガス排出用貫通孔
１１０…冷却水用貫通孔
１１０ａ…冷却水用貫通孔
１１０ｃ…冷却水用貫通孔
１１０ｐ…冷却水流路
１２２…供給口
１２４…排出口
１２６…供給口
１２８…排出口
１５１０…ノズル
２００…セパレータ
２２０…アノード対向プレート
２２２ｈ…アノードガス供給口
２２４ｈ…アノード排ガス排出口
２４０…カソード対向プレート
２４６ｈ…カソードガス供給口
２４８ｈ…カソード排ガス排出口
２６０…中間プレート
３２０…アノード側多孔体
３２２、３４２…目止め部
３４０…カソード側多孔体
４２０…電解質膜
４４０…アノード
４６０…カソード
５００…シールガスケット
６００…プライマ層
７００…導電性撥水フィルム
７０２、７０４…スリット
１０００…金型
１１００…上型
１１１０…ゲート
１２００…下型
１３００…下型コア型
１５００…射出装置
Ｒ…空間
ＳＬ…シールライン

Claims (10)

1. 燃料電池スタックを構成するセルモジュールであって、
   電解質膜と、前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体と、
   前記発電体の両面に配置され、前記各電極触媒層に、反応ガスを供給する一対の多孔体流路形成部材と、
   前記一対の多孔体流路形成部材の一方に当接して配置されるセパレータと、
   前記発電体の外周に設けられるシール部材と、
   を備え、
   前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータと、前記シール部材とは、一体的に固定して成ることを特徴とするセルモジュール。
2. 請求項１に記載のセルモジュールにおいて、
   前記発電体と、前記一対の多孔体流路形成部材と、前記セパレータは、前記シール部材と、接着されていることを特徴とするセルモジュール。
3. 請求項１または２に記載のセルモジュールにおいて、
   前記多孔体流路形成部材は、
   前記多孔体流路形成部材の周縁から所定の距離を空けて、気孔率が低い低気孔率部が設けられることを特徴とするセルモジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
   前記シール部材と、前記セパレータとが接着される部分には、前記シール部材と、前記セパレータとの接着性を向上させる第１の接着性向上層が設けられることを特徴とするセルモジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
   前記多孔体流路形成部材の、前記シール部材が含浸された含浸部と、前記セパレータとが接触する部分には、前記含浸される前記シール部材と、前記セパレータとの接着性を向上させる第２の接着性向上層が設けられることを特徴とするセルモジュール。
6. 請求項５に記載のセルモジュールにおいて、
   前記第１の接着性向上層と前記第２の接着性向上層は、同一の材料より成ることを特徴とするセルモジュール。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
   前記セパレータは、
   前記反応ガスを、前記多孔体流路形成部材に供給する反応ガス供給口を備え、
   前記シール部材は、
   前記多孔体流路形成部材の周縁から内側に向かって、前記反応ガス供給口と当接する位置まで含浸されることを特徴とするセルモジュール。
8. 請求項１ないし７のいずれか一つに記載のセルモジュールにおいて、
   前記セパレータは、
   前記発電体のアノード側の電極触媒層側に配置される前記多孔体流路形成部材に当接するように配置されることを特徴とするセルモジュール。
9. 請求項１ないし８のいずれか一つに記載のセルモジュールであって、
   前記セルモジュールが複数積層されて成る前記燃料電池スタックが、車両に積層される場合には、前記燃料電池スタックの積層面が、前記車両の床面に対して略垂直になるように配置されることを特徴とするセルモジュール。
10. 燃料電池スタックを構成するセルモジュールの製造方法であって、
    （ａ）電解質膜と前記電解質膜の両面に電極触媒層が配置されて成る発電体の外周に設けられるシール部材と、セパレータとの接着性を向上させる接着性向上層を、前記セパレータに形成する工程と、
    （ｂ）前記セパレータ、第１の多孔体流路形成部材、前記発電体、第２の多孔体流路形成部材の順に積層すると共に、金型にセットする工程と、
    （ｃ）前記発電体の外周に、前記シール部材の原料と成る流動性を有する液状のシール部材原料を流し込んだ後、硬化させる工程と、
    を備え、
    前記セパレータと、前記第１の多孔体流路形成部材と、前記発電体と、前記第２の多孔体流路形成部材とを、前記シール部材によって接着させて一体的に形成することを特徴とするセルモジュールの製造方法。

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