JP2010123343A - 燃料電池と燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３層構造のセパレータの中間プレートに形成されたガス流通孔のマニホールドに臨む開口を成形樹脂が閉塞することを効果的に抑止することのできる燃料電池セルの製造方法と、このような閉塞抑止を実現できる燃料電池を提供する。
【解決手段】３層構造のセパレータ７は、ガスケット８のマニホールドＭに流体連通する貫通孔Ｍ１を備え、該貫通孔Ｍ１にガス流通孔７３ａが臨んで開口７３ａ’を形成し、セパレータ７のガスケット８に対向する側面であって開口７３ａ’よりも側方には凹溝７４が形成されてなる、セパレータ７を用意する工程、成形型内に、セパレータ７、ガス透過層６’、膜電極接合体３、ガス透過層６が収容されて積層姿勢を成し、膜電極接合体３等の周縁とセパレータ７の張り出した部分の側面に密着するガスケット８を成形して燃料電池セル１０を製造する工程、からなる製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜電極接合体およびガス透過層の周縁とセパレータとに密着するガスケットを具備する燃料電池と、該燃料電池を構成する燃料電池セルの製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。

上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体および多孔体の周縁に形成されている。このガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケットの成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえば射出成形の場合を取り上げると、成形型のキャビティ内にセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体（エキスパンドメタルや金属発泡焼結体からなる）を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および多孔体の周縁のガスケット成形用キャビティに樹脂を注入もしくは投入するものである。

上記するセパレータは、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成したものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体（ガス流路層）と、電極体と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。

ところで、ガス拡散層や触媒層に対して電解質膜の端部は側方に張り出しており、ガスケットが成形された際の姿勢においては、電解質膜の張り出し端部がガスケットの内部に埋め込まれた構造を呈するのが一般的である。このような構造を適用する理由として、その一つは、両極のガス拡散層や金属多孔体（ガス流路層）が接触して短絡するのを防止することである。また、他の理由は、一方の極（たとえばカソード極）から他方の極（たとえばアノード極）へ電解質膜の側端をガスが回り込んでクロスリークするのを防止するために、ある程度の張り出し長さを確保し、この張り出し部をガスケット内に埋設させた構造を適用しているというものである。

成形型内で燃料電池セルのガスケットを成形する方法を図７を参照して概説する。図７は、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２のキャビティ内に電極体ｅとガス流路層となる多孔体ｆ１、ｆ２、および一つの３層構造セパレータｇが収容され、ガスケット用の樹脂が注入されている状況を説明したものである。まず、電解質膜ａとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２とから膜電極接合体ｃ（ＭＥＡ）が形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ１、ｄ２が挟持して電極体ｅが形成されたものを用意する。なお、各部材を成形型内へ収容するに際して、膜電極接合体とガス拡散層が予め一体に形成されていてもよいし、双方が分離されていて、それぞれを順に成形型内に収容するものであってもよい。ここで、電解質膜ａの端部ａ１は電極体ｅの側方に張り出している。また、セパレータｇは、２枚のステンレス製もしくはチタン製のアノード側プレートｇ１、カソード側プレートｇ２と、これらのプレート間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間プレートｇ３と、から構成されており、成形型内に、セパレータｇ、金属多孔体ｆ２、電極体ｅ、金属多孔体ｆ１が積層姿勢を成した状態で型閉めされる。なお、この３層構造のセパレータｇは、それが組み込まれる燃料電池セルのアノード側の金属多孔体ｆ２に燃料ガス（流れ方向Ｚ１）を提供するためのガス流通孔ｇ３ａと、セルが積層された姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体に酸化剤ガス（流れ方向Ｚ２）を提供するためのガス流通孔ｇ３ｂを備えている。また、図からも明らかなように、収容姿勢において、セパレータｇは電極体ｅよりも側方に張り出しており、この張り出し部分の上方と電極体ｅの周縁にガスケットが成形されるようになっており、ガスケットが一体成形されて燃料電池セルが製造される。なお、図７と同様の構造を有する燃料電池セルに関し、そのガスケットを成形する方法として、特許文献１に開示の燃料電池の製造方法を挙げることができる。

図７は、ガスケットにガスや冷却流体が流通するマニホールドが形成される部位で切断した縦断面図であり、この断面において、樹脂注入孔Ｈが固定型Ｓ１に形成されている。図７で示すように、樹脂注入孔Ｈを介して樹脂を成形型内に注入すると、膜電極接合体ｃの周縁に流れてきた樹脂は、そのキャビティＣ内に充填されるとともに、セパレータｇの端部と可動型Ｓ２の間の隙間を介して、ガス流通孔ｇ３ａまで流れてしまい（図中のＹ１の流れ）、該ガス流通孔ｇ３ａを閉塞するという課題が生じており、これは上記する特許文献１の製造方法も同様に有する課題である。この課題は、３層構造のセパレータ自体にも多少の製造公差が存在すること、したがって、成形型とセパレータの間にはおのずと隙間が生じてしまうこと、が主な原因である。ガス流通孔ｇ３ａがガスケット用樹脂にて閉塞されると、膜電極接合体へのガスの提供が阻害されることから、このような燃料電池セルは不良品となり、製造歩留まりが大きく低下することは必至である。

特開２００８−１２３８８３号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体とガス透過層と３層構造のセパレータが積層した姿勢で該膜電極接合体の周縁にガスケットが一体成形されるに際して、セパレータの中間プレートに形成されたガス流通孔のマニホールドに臨む開口を成形樹脂が閉塞することを効果的に抑止することのできる燃料電池セルの製造方法と、このような閉塞抑止を実現可能な構造を有する燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池セルの製造方法は、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、一方のガス透過層側に配されて前記膜電極接合体やガス透過層よりも側方に張り出しているセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁であって該セパレータの側方に張り出した部分の上方に配され、ガスや冷却流体が流通するマニホールドを備えた流体シール用のガスケットと、から形成される、燃料電池セルの製造方法であって、前記セパレータは、カソード側プレートと、ガス透過層に通じてガスを該ガス透過層に提供するガス流通孔を備えた中間プレートと、アノード側プレートと、が積層されてなる３層構造を呈し、かつ、ガスケットの前記マニホールドに流体連通する貫通孔を備え、該貫通孔に前記ガス流通孔が臨んで開口を形成しており、セパレータのガスケットに対向する側面であって前記開口よりも側方には凹溝が形成されてなる、セパレータを用意する第１の工程と、成形型内に、前記セパレータ、前記ガス透過層、前記膜電極接合体、前記ガス透過層が収容されて積層姿勢を成し、前記膜電極接合体およびガス透過層の周縁と前記セパレータの張り出した部分の側面に密着するガスケットを成形する第２の工程と、からなるものである。

本発明の燃料電池セルの製造方法は、ガスケット成形用の樹脂が３層構造セパレータの中間プレートに形成されて貫通孔（マニホールド）に臨むガス流通孔の開口を、該樹脂が閉塞するのを防止するべく、ガスケット用キャビティにたとえば注入されて流れてきた成形用樹脂が前記開口に流れ込む前に、セパレータに形成された凹溝に流れるようにして、開口閉塞を防止することを可能としている。

ここで、ガスケットの成形方法は、成形型内にセル部材を積層姿勢で収容し、その後に樹脂を加圧注入する射出成形であってもよいし、ある程度の形状保持性と粘性を有した樹脂（粘土状）を成形型内に収容して圧縮し、次いでセル部材を収容し、加熱圧縮して樹脂を流動硬化させる圧縮成形であってもよい。いずれの成形方法であっても、成形過程で成形型内をガスケット用の樹脂が流動することとなる。

たとえば、射出成形の際に成形型内に注入される樹脂量は、セル積層部材の製造公差等に起因するキャビティ空間内の空間誤差を見込んで、所定量多めに設定された注入量の樹脂がキャビティ内に注入されることになる。ここで、膜電極接合体よりも側方に張り出したセパレータのガスケットと対向する側面において、より具体的には、ガスケットのマニホールドと流体連通する貫通孔に臨むガス流通孔の開口よりも側方（外側）において、凹溝が形成されている。この位置に凹溝が形成されていることにより、中間プレートに形成された貫通孔の開口に樹脂が流れ込む前に、余分な樹脂はこの凹溝に逃がすことができる。すなわち、セパレータに形成された貫通孔の開口が余分な樹脂で閉塞されることを効果的に抑止することができる。

ここで、上記製造方法が対象とする燃料電池セルの構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体（ＭＥＧＡ）と称呼している。また、対象とする燃料電池セルの構造は、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配されたセル構造である。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。

積層部材にガスケットが射出成形もしくは圧縮成形にて一体成形されて、燃料電池セルが製造される。この製造された燃料電池セルを所定数積層し、スタッキングすることにより、燃料電池スタック（燃料電池）が製造される。

上記する燃料電池セルの製造方法によれば、ガスケット成形時の樹脂が、３層構造のセパレータの中間プレートに形成されたガス流通孔の開口を閉塞することが抑止されるため、これらのセル積層部材の製造公差や成形型の有する公差を許容しながら、品質に優れた燃料電池セルを高い歩留まりの下で製造することが可能となる。

また、本発明による燃料電池セルの製造方法の他の実施の形態において、ガスケットのうち、前記マニホールドが該ガスケットの端面に臨む該端面の開口周りには無端状のシール用リブが形成されており、前記シール用リブの位置と前記凹溝の位置がずらされているものである。

ガスケットに形成されたマニホールドが該ガスケットの端面に臨んでできる開口周りには、無端状のシール用リブが形成されているのが一般的である。本製造方法では、上記する凹溝の位置とこのシール用リブの位置をずらすことにより、該シール用リブにおけるシール性の担保を図ろうとするものである。

たとえば、凹溝の直上にシール用リブが存在する場合であって、この凹溝内にガスケット用の樹脂がほとんど入り込まなかった場合を想定すると、スタッキングの際の圧縮力がシール用リブに作用しても、その直下で空隙部（凹溝）が存在するために、該リブに十分な反力が作用せず、結果として、シール用リブでの初期のシール性が期待できない。

そこで、凹溝とシール用リブの位置を予めずらしておくことにより、仮に凹溝内に樹脂が充満せず、したがって空隙を形成した場合でも、リブ下には３層構造セパレータの中実部が位置することで十分な反力を期待でき、該リブにおける初期のシール性を担保することができる。

また、本発明による燃料電池セルの製造方法の他の実施の形態は、前記セパレータの側端はガスケットに埋設されており、該側端において、前記中間プレートはカソード側プレートおよびアノード側プレートよりも窪んでおり、前記第２の工程で成形されたガスケットの一部が前記中間プレートの窪んだ部分に入り込むものである。

図７で示す従来の製造方法で製造されたガスケットの端部を図８ａに示している。図８ａにおいて、３層構造のセパレータＳＰの上方にガスケットＧ（無端状のシール用リブＧａ）が成形され、さらにセパレータＳＰの側方にガスケットの端部Ｇｂが成形される。この端部ＧｂにてセパレータＳＰの端部を包囲することにより、燃料電池セルにスタッキング時の圧縮力が作用し、セル同士が近接するようにして反った場合でも、双方のセパレータＳＰ，ＳＰ同士が接触して短絡するのを防止することができる。

しかし、このガスケットＧの端部Ｇｂはセパレータの厚み分の長さでしか該セパレータＳＰと密着していないことから、たとえばスタッキング時の圧縮力等が作用した際に、図８ｂで示すように剥がれたり（Ｚ方向）、あるいはこの剥がれに伴って図８ｃで示すような亀裂Ｋを生じる危険性がある。

本実施の形態では、中間プレートの端部をカソード側プレートおよびアノード側プレートよりも窪ませておくことにより、成形樹脂をこの窪んだ部分に入り込ませ、ガスケットの端部と３層構造セパレータとの密着強度（接合強度）を高めることができるものである。

また、本発明による燃料電池は、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、一方のガス透過層側に配されて前記膜電極接合体やガス透過層よりも側方に張り出しているセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁であって該セパレータの側方に張り出した部分の上方に配され、ガスや冷却流体が流通するマニホールドを備えた流体シール用のガスケットと、から燃料電池セルが形成され、複数の該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータは、カソード側プレートと、ガス透過層に通じてガスを該ガス透過層に提供するガス流通孔を備えた中間プレートと、アノード側プレートと、が積層されてなる３層構造を呈し、かつ、ガスケットの前記マニホールドに流体連通する貫通孔を備え、該貫通孔に前記ガス流通孔が臨んで開口を形成しており、セパレータのガスケットに対向する側面であって前記開口よりも側方には凹溝が形成されており、ガスケットを成形する際の樹脂が前記凹溝の一部もしくは全部を満たして硬化しているものである。

本発明の燃料電池は、射出成形もしくは圧縮成形の際に成形型内を流動する樹脂がセパレータに形成された凹溝内を完全に満たして硬化するものであっても、その一部のみに入り込んで硬化するものであってもよい。

いずれにせよ、上記する本発明の製造方法にて述べたように、セパレータの適所に上記凹溝が形成されていることにより、ガスケット用の樹脂が３層構造セパレータの中間プレートに形成されたガス流通孔が貫通孔（マニホールド）に臨む開口を閉塞するのを、効果的に抑止することができる。

また、上記するように、ガスケットのうち、前記マニホールドが該ガスケットの端面に臨む該端面の開口周りには無端状のシール用リブが形成されており、前記シール用リブの位置と前記凹溝の位置がずらされている形態が好ましい。

さらには、上記するように、前記セパレータの側端はガスケットに埋設されており、該側端において、前記中間プレートはカソード側プレートおよびアノード側プレートよりも窪んでおり、ガスケットの一部が前記中間プレートの窪んだ部分に入り込んでいる形態が好ましい。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池と該燃料電池を構成する燃料電池セルの製造方法によれば、膜電極接合体とガス透過層と３層構造のセパレータが積層した姿勢で該膜電極接合体の周縁にガスケットが一体成形されるに際して、セパレータの中間プレートに形成されたガス流通孔の貫通孔（マニホールド）に臨む開口を成形樹脂が閉塞することを効果的に抑止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図１,３〜６では、燃料電池セルの中央から左側のみを取り出して図示している。また、燃料電池セルや成形型の平面図の図示を省略するが、ガスケットに形成されているマニホールドやこれに流体連通するセパレータの貫通孔はともに、酸化剤ガスや燃料ガス、冷却流体それぞれの流入用および流出用のマニホールドが個別に形成されていることは勿論のことである。また、図示例は、樹脂を射出成形してガスケットを成形する方法を示しているが、圧縮成形にてガスケットが成形される方法であってもよいことは勿論のことである。

図１は、燃料電池セルを形成する電極体が成形型内に収容された姿勢で、ガスケット用の樹脂が射出成形されている状況を説明したものである。

まず、電極体５の構成を概説すると、この電極体５は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，２’と、から膜電極接合体３が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’が挟持して形成されている。

なお、触媒層２，２’は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，２’の周縁には該触媒層２，２’が存在しない露出領域が形成され、この露出領域には、カソード側およびアノード側の不図示の保護フィルムが配されて、ガス拡散層４，４’から突出する毛羽が電解質膜１の露出領域に突き刺さるのを防護している。

ここで、膜電極接合体３を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。

また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。

また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２，２’から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。なお、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方のガス流路層から拡散層基材を廃した構造の電極体であってもよい。

さらに、不図示の保護フィルムは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。

図１に戻り、電極体５と、アノード側およびカソード側のガス流路層となる多孔体６，６’と、３層構造のセパレータ７を用意し、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２とからなる成形型のキャビティ内に下方から順に、セパレータ７、アノード側の多孔体６’、電極体５、カソード側の多孔体６を移載して型閉めする。

ここで、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなるアノード側プレート７１とカソード側プレート７２、それらの間に、金属素材で冷却水流路やガス流路が形成された中間プレート７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。なお、図示するセパレータ７では、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の多孔体６'に燃料ガスを供給するためのガス流通孔７３ａと、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体６に酸化剤ガスを供給するためのガス流通孔７３ｂが形成されており、さらには、不図示の冷却水流路が中間層７３に形成されている。

固定型Ｓ１と可動型Ｓ２を型閉めし、固定型Ｓ１に開設された注入孔Ｈを介して、樹脂をガスケット成形用キャビティＣ内に注入する（Ｙ方向）。なお、図１の断面はガスケットにマニホールドが形成される箇所で切断した断面である。

ここで、注入される樹脂としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。

成形型に注入された樹脂は、キャビティＣ内を充填するとともに、その一部はセパレータ７のアノード側プレート７１に開設された凹溝開口７１’を介して、中間プレートの凹部７３’に入り込む（この凹溝開口７１’と中間プレートの凹部７３’を合わせて凹溝７４という）（Ｙ２方向）。

注入される樹脂量は、キャビティＣ（およびリブ用キャビティＣ１）の内空寸法よりも若干多めの注入量で調整されるのが一般的であるが、余分量の樹脂は、可動型Ｓ２とセパレータ７の端面の隙間を流れてガス流通孔７３ａの開口７３ａ’を閉塞することなく、この樹脂流れＹ１によって凹溝７４内に流れ込むこととなる。

図２は、成形型におけるリブ用キャビティと３層構造セパレータに形成された凹溝の位置関係を説明した縦断面図である。リブ用キャビティＣ１と凹溝７４の位置は縦断的にセットオフされている。このため、ガスケットが成形されてなる燃料電池セルが積層され、スタッキングされた際にシール用リブに圧縮力が作用した際に、該リブ下には３層構造セパレータ７の中実部が存在するために該圧縮力に対して反力を生じることができ、リブのシール性が担保される。

図３は、図１の方法で製造された２つの燃料電池セル１０，１０を示しており、より具体的には、これらが積層される前の状態を示している。図３において、凹溝７４には樹脂が入り込んで硬化しており（凹溝に入り込んだガスケット８ｂが形成されている）、セパレータ７には貫通孔Ｍ１が形成され、この貫通孔Ｍ１がガスケット８のマニホールドＭと流体連通するとともに、ガス流通孔７３ａの開口７３ａ’が貫通孔Ｍ１に臨んでいる。なお、たとえば３００基の燃料電池セル１０，…を積層して燃料電池スタックを形成する場合には、図１の方法でそれぞれの燃料電池セルを製造し、各燃料電池セル１０のセパレータを具備しない側に積層姿勢で隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７を上載するようにして３００基の燃料電池セル１０，…を積層し、スタッキングが実行される。

図４は、複数の燃料電池セル１０，…が積層され、スタッキングされた後の２つの燃料電池セル１０，１０を取り出して図示したものである。なお、射出成形されてできたガスケット８にマニホールドＭが形成され、さらにセパレータ７の貫通孔が流体連通し、無端のシールリブ８ａがマニホールドＭを囲繞するようにガスケット８の上面（セパレータ７の存在しない面）に形成される。

図４から明らかなように、積層姿勢の各燃料電池セル１０，…がスタッキングされた際に、任意の燃料電池セル１０は、自身の構成部材であるセパレータ７と隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７がその両側に配される構造となる。スタッキングされることによってマニホールドＭ周りのシール用リブ８ａが隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７にて潰され、シール構造が形成される。

図示するマニホールドＭは燃料ガスが流入するマニホールドであり、供給された燃料ガスは３層構造セパレータ７の中間プレート７３からアノード側プレート７１に亘って形成された供給ガス流通孔７３ａを介してアノード側の多孔体６’に供給される（Ｚ１方向）。一方、ガスケット８の他の断面には酸化剤ガスが流入する別途のマニホールドが形成されており、この別途のマニホールドを介して酸化剤ガスが流入し、セパレータ７の中間プレート７３からカソード側プレート７２に亘って形成された供給ガス流通孔７３ｂを介して隣接セルのカソード側の多孔体６に供給される（Ｚ２方向）。

上記する本発明の燃料電池の製造方法と図示する燃料電池によれば、射出成形時に余分量の樹脂はセパレータに形成された凹溝７４内に入り込んで硬化するため、貫通孔Ｍ１に臨むセパレータに形成された流通孔７３ａの開口７３ａ’が樹脂にて閉塞されることがない。

図５は、本発明の燃料電池セルの製造方法の他の実施の形態を説明した図であって、燃料電池セルを形成する電極体が成形型内に収容された姿勢で、ガスケット用の樹脂が射出成形されている状況を説明した縦断面図である。

この燃料電池セルの構造では、３層構造のセパレータ７Ａが図３，４で示す燃料電池セル１０のセパレータ７と相違している。より具体的には、その端部において、中間プレート７３Ａの端部がカソード側プレート７１およびアノード側プレート７２よりも内側に窪んでいる。

成形型内に注入された樹脂は、凹溝７４への流れＹ２に加えて、セパレータ７Ａの側端から回り込み（流れＹ３）、中間プレート端部の窪み部７３”に入り込んで硬化する。
これにより、図８ｂ、ｃで示すようなガスケット端部の剥離や亀裂の発生を抑止することができる。

図６は、図５に続いて、製造された燃料電池セル１０Ａ，１０Ａを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。図６において、窪み部７３”に樹脂が入り込んで硬化している（窪み部に入り込んだガスケット８ｃ）。この燃料電池によれば、ガス流通孔７３ａの開口７３ａ’が注入樹脂にて閉塞されることがなく、しかも、セパレータ７Ａの端部とガスケット８の端部の密着強度が高い燃料電池を得ることができる。

なお、実際に電気自動車等に車載される燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の燃料電池セルの製造方法の一実施の形態を説明した図であって、燃料電池セルを形成する電極体が成形型内に収容された姿勢で、ガスケット用の樹脂が射出成形されている状況を説明した縦断面図である。 成形型におけるリブ用キャビティと３層構造セパレータに形成された凹溝の位置関係を説明した縦断面図である。 図１に続いて、製造された燃料電池セルを積層している状況を説明した縦断面図である。 図３に続いて、燃料電池セルを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。 本発明の燃料電池セルの製造方法の他の実施の形態を説明した図であって、燃料電池セルを形成する電極体が成形型内に収容された姿勢で、ガスケット用の樹脂が射出成形されている状況を説明した縦断面図である。 図５に続いて、燃料電池セルを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。 従来の燃料電池セルの製造方法を説明した図であって、燃料電池セルを形成する電極体が成形型内に収容された姿勢で、ガスケット用の樹脂が射出成形されている状況を説明した縦断面図である。 （ａ）は図７にて製造されたガスケットのうち、マニホールドの外側部分を拡大して示した縦断面図であり、（ｂ）はガスケットの端部がセパレータから剥がれている状態を示した縦断面図であり、（ｃ）は（ｂ）に次いで、さらにガスケットに亀裂が生じている状態を示した縦断面図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…カソード側の触媒層、２’…アノード側の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側の多孔体（ガス透過層）、６’…アノード側の多孔体（ガス透過層）、７，７Ａ…セパレータ、７１…カソード側プレート、７１’…凹溝開口、７２…アノード側プレート、７３，７３Ａ…中間プレート、７３ａ，７３ｂ…ガス流通孔、７３’…中間プレートの凹部、７３”…中間プレート端部の窪み部、７４…凹溝、８…ガスケット、８ａ…シール用リブ、８ｂ…凹溝に入り込んだガスケット、８ｃ…窪み部に入り込んだガスケット、１０，１０Ａ…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド、Ｓ１…固定型、Ｓ２…可動型、Ｈ…注入孔、Ｃ…キャビティ、Ｃ１…リブ用キャビティ

Claims (8)

1. 電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、一方のガス透過層側に配されて前記膜電極接合体やガス透過層よりも側方に張り出しているセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁であって該セパレータの側方に張り出した部分の上方に配され、ガスや冷却流体が流通するマニホールドを備えた流体シール用のガスケットと、から形成される、燃料電池セルの製造方法であって、
   前記セパレータは、カソード側プレートと、ガス透過層に通じてガスを該ガス透過層に提供するガス流通孔を備えた中間プレートと、アノード側プレートと、が積層されてなる３層構造を呈し、かつ、ガスケットの前記マニホールドに流体連通する貫通孔を備え、該貫通孔に前記ガス流通孔が臨んで開口を形成しており、セパレータのガスケットに対向する側面であって前記開口よりも側方には凹溝が形成されてなる、セパレータを用意する第１の工程と、
   成形型内に、前記セパレータ、前記ガス透過層、前記膜電極接合体、前記ガス透過層が収容されて積層姿勢を成し、前記膜電極接合体およびガス透過層の周縁と前記セパレータの張り出した部分の側面に密着するガスケットを成形する第２の工程と、からなる、燃料電池セルの製造方法。
2. 前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくはそれらの積層体のいずれか一方からなる、請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
3. ガスケットのうち、前記マニホールドが該ガスケットの端面に臨む該端面の開口周りには無端状のシール用リブが形成されており、
   前記シール用リブの位置と前記凹溝の位置がずらされている、請求項１または２に記載の燃料電池セルの製造方法。
4. 前記セパレータの側端はガスケットに埋設されており、該側端において、前記中間プレートはカソード側プレートおよびアノード側プレートよりも窪んでおり、
   前記第２の工程で成形されたガスケットの一部が前記中間プレートの窪んだ部分に入り込む、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法。
5. 電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、一方のガス透過層側に配されて前記膜電極接合体やガス透過層よりも側方に張り出しているセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁であって該セパレータの側方に張り出した部分の上方に配され、ガスや冷却流体が流通するマニホールドを備えた流体シール用のガスケットと、から燃料電池セルが形成され、複数の該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
   前記セパレータは、カソード側プレートと、ガス透過層に通じてガスを該ガス透過層に提供するガス流通孔を備えた中間プレートと、アノード側プレートと、が積層されてなる３層構造を呈し、かつ、ガスケットの前記マニホールドに流体連通する貫通孔を備え、該貫通孔に前記ガス流通孔が臨んで開口を形成しており、セパレータのガスケットに対向する側面であって前記開口よりも側方には凹溝が形成されており、
   ガスケットを成形する際の樹脂が前記凹溝の一部もしくは全部を満たして硬化している、燃料電池。
6. 前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくはそれらの積層体のいずれか一方からなる、請求項５に記載の燃料電池。
7. ガスケットのうち、前記マニホールドが該ガスケットの端面に臨む該端面の開口周りには無端状のシール用リブが形成されており、
   前記シール用リブの位置と前記凹溝の位置がずらされている、請求項５または６に記載の燃料電池。
8. 前記セパレータの側端はガスケットに埋設されており、該側端において、前記中間プレートはカソード側プレートおよびアノード側プレートよりも窪んでおり、
   ガスケットの一部が前記中間プレートの窪んだ部分に入り込んでいる、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池。

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