JP2010129460A - 燃料電池用セパレータ、燃料電池モジュール、燃料電池スタック、燃料電池モジュールの製造装置、および燃料電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の製造に要するコストを削減するとともにシール部材の配置作業を簡
略化することによって、燃料電池の製造コストを削減するとともに製造作業の作業効率の低下を防止し得る燃料電池用セパレータ、燃料電池モジュール、燃料電池スタック、燃料電池モジュールの製造装置、および燃料電池モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】空気極側セパレータ１００ａは、酸化剤ガス４１０を通す貫通孔１１１と流路１５０ａとを連通状態にするとともに残余の貫通孔１１２、１１３と流路１５０ａとの連通状態を遮断する第１の内部シール部と、流路を流れる酸化剤ガス、または燃料ガスの外部への漏れをシールする外部シール部との両者を、樹脂材料を供給することによって形成するための樹脂供給路１４０を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池モジュール、燃料電池スタック、燃料電池モジュールの製造装置、および燃料電池モジュールの製造方法に関する。

燃料電池は、流体を流通させる流路となる流路溝が形成された燃料電池用のセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成している。燃料電池内には、供給された各種の流体を定められた流路へ導流するためのシール部材、および流路を流通する流体が外部へ漏れ出すことを防止するシール部材を配置している（特許文献１参照）。シール部材は、上記の用途に合わせて作製パターンが定められており、セパレータと膜電極接合体とを積層する積層工程において定められた位置にそれぞれ配置している。
特開２０００−１８２６３９

上記のように、流体を流路へ導流するためのシール部材と、流体が外部へ漏れ出すことを防止するシール部材とを作製する場合には、シール部材の製造に要するコストが増加するため、燃料電池の製造コストの増加が招かれる。また、セパレータおよび膜電極接合体を積層しつつそれぞれのシール部材を配置する作業を行うため、積層工程が煩雑化し、燃料電池の製造作業の作業効率の低下が招かれる。

そこで、本発明の目的は、燃料電池の製造技術に関し、シール部材の製造に要するコストを削減するとともにシール部材の配置作業を簡略化することによって、燃料電池の製造コストを削減するとともに製造作業の作業効率の低下を防止し得る燃料電池用セパレータ、燃料電池モジュール、燃料電池スタック、燃料電池モジュールの製造装置、および燃料電池モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明は、酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却剤のそれぞれを通す複数個の貫通孔が形成され、膜電極接合体に重ね合わされて膜電極接合体との間に酸化剤ガス、または燃料ガスを流通させるガス流路を形成する燃料電池用のセパレータである。そして、酸化剤ガス用の貫通孔および燃料ガス用の貫通孔のうちの一方の貫通孔のみとガス流路とを連通状態にするとともに残余の貫通孔と流路との連通状態を遮断する第１の内部シール部と、ガス流路を流れる酸化剤ガス、または燃料ガスの外部への漏れをシールする外部シール部との両者を、樹脂材料を供給することによって形成するための樹脂供給路を有している。

また、本発明は、上記のセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を有した燃料電池モジュールである。樹脂供給路に供給された樹脂材料によって積層体の周囲を覆うことにより一体化して形成している。

また、本発明は、上記の燃料電池モジュールを他の燃料電池モジュールと接続して形成された燃料電池スタックである。燃料電池モジュールは、積層体の積層方向に樹脂材料から突出して形成されるとともに貫通孔のそれぞれに酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却剤を供給する流体用配管、および積層体によって生じさせた電気を外部に取り出す電極端子を有している。そして、流体用配管および電極端子を備える他の燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールとを流体用配管および電極端子を介して機械的に接続している。

また、本発明は、上記の燃料電池モジュールを製造する製造装置であって、上記のセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を配置するとともに積層体の周囲を囲む成形面が設けられた積層型を有している。さらに、樹脂材料を樹脂供給路および積層体と成形面との間に流し込む樹脂供給手段を有している。

また、本発明は、上記の燃料電池モジュールを製造する製造方法であって、上記のセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を積層体の周囲を囲む成形面が設けられた積層型に配置する工程を有している。さらに、樹脂供給路に向けて樹脂材料を射出する工程と、射出された樹脂材料を樹脂供給路に沿って吸引し、第１の内部シール部および第２の内部シール部を形成する工程と、を有している。そして、積層体と成形面との間に樹脂材料を射出することにより外部シール部を形成するとともに積層体の周囲を樹脂シール部材によって覆わせて一体化させる工程を有している。

燃料電池用セパレータに形成された樹脂供給路に供給した樹脂材料によって、燃料電池内を流通させる各流体を流路へ導流する内部シール部を形成するとともに各流体が外部へ漏れ出すことを防止する外部シール部を形成し、シール部材の製造に要するコストを削減するとともにシール部材の配置作業を簡略化する。このため、燃料電池の製造コストを削減することができるとともに燃料電池の製造作業の作業効率が低下することを防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、燃料電池モジュール１０を示す概略斜視図、図２は、燃料電池モジュール１０を簡略化して示す断面図であり、図２（Ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線に沿う断面図、図２（Ｂ）は、図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図、図３は、燃料電池モジュール１０を構成する単セル５０を簡略化して示す断面図、図４は、空気極側セパレータ１００ａを示す平面図、図５（Ａ）は、空気極側セパレータ１００ａの要部を拡大して示す斜視図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の破線５Ｂで囲まれた要部を拡大して示す平面図、図６（Ａ）は、空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとを積層する方法の説明に供する斜視図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印６Ｂ−６Ｂに沿う断面図、図７（Ａ）は、燃料電池モジュールの製造装置３００を簡略化して示す平面図、図７（Ｂ）は、燃料電池モジュールの製造装置３００の説明に供する斜視図、図８（Ａ）および（Ｂ）は、燃料電池モジュール１０の製造方法の説明に供する平面図、図９は、燃料電池モジュール１０の製造方法の説明に供する斜視図である。

図１および図２は、本発明の実施の形態である燃料電池モジュールの製造装置３００によって製造された燃料電池モジュール１０を示し、図３は、燃料電池モジュール１０を構成する単セル５０を示す。図４は、燃料電池モジュール１０および単セル５０に適用される樹脂供給路１４０が形成された空気極側セパレータ１００ａを示す。

図３〜６を参照して、空気極側セパレータ１００ａ（燃料電池用セパレータに相当する）は、概説すれば、酸化剤ガス４１０、燃料ガス４２０、および冷却剤４３０のそれぞれを通す複数個の貫通孔１１１、１１２、１１３が形成され、膜電極接合体６０に重ね合わされて膜電極接合体６０との間に酸化剤ガス４１０を流通させる酸化剤ガス流路１５０ａ（ガス流路に相当する）を形成する。そして、酸化剤ガス用の貫通孔１１１および燃料ガス用の貫通孔１１２のうちの酸化剤ガス用の貫通孔１１１（一方の貫通孔に相当する）のみと酸化剤ガス流路１５０ａとを連通状態にするとともに燃料ガス用の貫通孔１１２、冷却水用の貫通孔１１３（残余の貫通孔に相当する）と酸化剤ガス流路１５０ａとの連通状態を遮断する第１の内部シール部２２０と、酸化剤ガス流路１５０ａを流れる酸化剤ガス４１０の外部への漏れをシールする外部シール部２３０との両者を、樹脂材料２００を供給することによって形成するための樹脂供給路１４０を有している。

また、空気極側セパレータ１００ａは、膜電極接合体６０に重ね合わされる面とは反対側に重ね合わされる燃料極側セパレータ１００ｂ（他のセパレータに相当する）との間に形成される冷却剤４３０を流通させる冷却剤流路１５０ｃと冷却剤用の貫通孔１１３とを連通状態にするとともに、酸化剤ガス用の貫通孔１１１、燃料ガス用の貫通孔１１２（残余の貫通孔に相当する）と冷却剤流路１５０ｃとの連通状態を遮断する第２の内部シール部２２０を、樹脂供給路１４０を介して供給された樹脂材料２００によって形成するために、樹脂供給路１４０から燃料極側セパレータ１００ｂとの間に導く案内部１２０を有している（図３および図６を参照）。

燃料電池モジュール１０は、上記の空気極側セパレータ１００ａ、燃料極側セパレータ１００ｂ、および膜電極接合体６０を複数積層して形成された単セル５０（積層体に相当する）を有し、樹脂供給路１４０に供給された樹脂材料２００によって単セル５０の周囲が覆われて一体化して形成されている（図１および図２を参照）。

燃料電池モジュールの製造装置３００は、上記の空気極側セパレータ１００ａ、燃料極側セパレータ１００ｂ、および膜電極接合体６０を複数積層して形成された単セル５０を配置するとともに単セル５０の周囲を囲む成形面３１１が設けられた積層型３１０と、樹脂材料２００を樹脂供給路１４０および単セル５０と成形面３１１との間に流し込む樹脂供給手段３２０と、を有している。また、樹脂供給手段３２０は、樹脂供給路１４０に向けて樹脂材料２００を射出する射出部３２１と、射出された樹脂材料２００を樹脂供給路１４０に沿って吸引する吸気部３２２と、を有している（図７をも参照）。以下、本実施の形態について詳述する。

図１〜３を参照して、燃料電池モジュール１０、単セル５０について説明する。

図１を参照して、燃料電池モジュール１０は、燃料ガス４２０と酸化剤ガス４１０の反応によって起電力を生じる単位電池としての単セル５０を複数積層して構成している。燃料電池モジュール１０の両端部には、エンドプレート１６０を配置している。エンドプレート１６０には、単セル５０の積層方向に樹脂材料２００から突出して形成された流体用配管１１および電極端子１５を設けている。後述するように、流体用配管１１および電極端子１５は、他の燃料電池モジュール５００との機械的な接続に利用することが可能である（図１１および図１２を参照）。

電極端子１５は、円筒形状に突出して形成された雄型端子１６ａと、雄型端子１６ａの外形形状に合致し、雄型端子１６ａが嵌合自在に形成された雌型端子１６ｂと、を有している。

流体用配管１１は、セパレータに形成された酸化剤ガス用の貫通孔１１１、燃料ガス用の貫通孔１１２、冷却剤用の貫通孔１１３のそれぞれに各流体を供給する供給側配管１２ａ、１３ａ、１４ａと、燃料電池モジュール１０内を流通させた流体を排出する排出側配管１２ｂ、１３ｂ、１４ｂと、を有している。それぞれの供給側配管１２ａ、１３ａ、１４ａは、対応する排出側配管１２ｂ、１３ｂ、１４ｂが有する内径寸法ｄ１より小さな外径寸法ｄ２を有しており、排出側配管１２ｂ、１３ｂ、１４ｂに対して嵌合自在にして形成している。

酸化剤ガス４１０は、酸化剤ガス供給側配管１２ａから流入させて酸化剤ガス排出側配管１２ｂから排出する。燃料ガス４２０は、燃料ガス供給側配管１３ａから流入させて燃料ガス排出側配管１３ｂから排出する。冷却剤４３０は、冷却剤供給側配管１４ａから流入させて冷却剤排出側配管１４ｂから排出する。

図３を参照して、単セル５０は、膜電極接合体６０、膜電極接合体６０を挟持する空気極側セパレータ１００ａおよび燃料極側セパレータ１００ｂによって構成している。

膜電極接合体６０は、燃料極７０と、空気極８０と、電解質膜９０と、を有している。燃料極７０は、触媒層７１およびガス拡散層７２を備えている。空気極８０も同様に、触媒層８１およびガス拡散層８２を備えている。

空気極８０に隣接して配置された空気極側セパレータ１００ａ、および燃料極７０に隣接して配置された燃料極側セパレータ１００ｂは、ステンレスや、チタン、アルミ等の薄板金属から形成することができる。図示例にあっては、ステンレスを材料にして形成している。

空気極８０と空気極側セパレータ１００ａの流路溝１０５ａとの間に、酸化剤ガス４１０を流通させるための酸化剤ガス流路１５０ａを形成する。燃料極７０と燃料極側セパレータ１００ｂの流路溝１０５ｂとの間に、燃料ガス４２０を流通させるための燃料ガス流路１５０ｂを形成する。重ね合わせて配置された空気極側セパレータ１００ａの流路溝１０５ａと燃料極側セパレータ１００ｂの流路溝１０５ｂとの間に、冷却剤４３０が流れる冷却水流路１５０ｃを形成する。

次に、単セル５０において電気を生じさせるために行う化学反応を説明する。

燃料極７０に供給された燃料ガス４２０に含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。生成されたプロトンは、燃料極７０の触媒層７１に含まれる電解質および燃料極７０の触媒層７１が接触している電解質膜９０を通って、空気極８０の触媒層８１に到達する。燃料極７０の触媒層７１で生成した電子は、燃料極７０の触媒層７１、燃料極７０のガス拡散層７２、燃料極側セパレータ１００ｂおよび外部回路（図示せず）を通って、空気極８０の触媒層８１に達する。そして、空気極８０の触媒層８１に達したプロトンおよび電子は空気極８０に供給されている酸化剤ガス４１０に含まれる酸素と反応して水を生成する。単セル５０は、上記の化学反応を通して電気を生成する。

次に、図４〜６を参照して、空気極側セパレータ１００ａには、酸化剤ガス４１０を通すための酸化剤ガス用の貫通孔１１１と、燃料ガス４２０を通すための燃料ガス用の貫通孔１１２と、冷却剤４３０を通すための冷却剤用の貫通孔１１３と、を形成している。

樹脂供給路１４０には、流路溝１０５ａに樹脂材料２００が流れ込むことを防止するための段差部１０６を形成している。段差部１０６は、燃料ガス用の貫通孔１１２および冷却剤用の貫通孔１１３の周囲にも形成しており、それぞれの貫通孔１１２、１１３内に樹脂材料２００が流れ込むことを防止している。

樹脂供給路１４０に供給された樹脂材料２００は、燃料ガス用の貫通孔１１２および冷却剤用の貫通孔１１３の周囲を囲むように流れ込む（図中矢印で示す）。樹脂材料２００は、硬化することによってシール部材としての機能を発揮する。

樹脂材料２００には、熱硬化性の樹脂材料、熱可塑性の樹脂材料、嫌気性の樹脂材料、および硬化剤が添加された樹脂材料を用いることができる。具体的には、シリコン系接着剤やエポキシ系接着剤を用いることができるが、これに限定されるものではない。

樹脂材料２００によって、酸化剤ガス流路１５０ａと、燃料ガス用の貫通孔１１２および冷却剤用の貫通孔１１３との連通状態を遮断する第１の内部シール部２１０を形成する。第１の内部シール部２１０によって、燃料ガス４２０および冷却剤４３０が酸化剤ガス流路１５０ａへ流入することを防止できる。そして、酸化剤ガス用の貫通孔１１１と酸化剤ガス流路１５０ａとの連通状態を樹脂材料２００によって遮断することなく維持することができる。

流路溝１０５ａの周囲に流れ込んだ樹脂材料２００は、酸化剤ガス流路１５０ａを流れる酸化剤ガス４１０が外部へ漏れることを防止する外部シール部２３０を形成する（図７をも参照）。

このように、セパレータ上に形成された樹脂供給路１４０に樹脂材料２００を流し込むことによって、第１の内部シール部２１０および外部シール部２３０を同時に形成することができる。

従来の燃料電池の製造方法にあっては、貫通孔と流路との連通状態を遮断するとともに各流体を流路へ導流する内部シール部と、外部への流体の漏れを防止する外部シール部とを成形作業等によって予め製作された弾性部材から形成している。このため、シール部材を製造するためのコストが増加し、燃料電池の製造コストが増加するという問題がある。また、内部シール部および外部シール部を形成する弾性部材の配置作業は、セパレータおよび膜電極接合体を積層する積層工程において行わなければならない。このため、積層工程が煩雑化し、燃料電池の製造作業の作業効率の低下が招かれる。

これに対して、本実施形態にあっては、樹脂供給路１４０に樹脂材料２００を流し込むことによって、第１の内部シール部２１０および外部シール部２３０を同時に形成することができる。第１の内部シール部２１０および外部シール部２３０を同一の樹脂材料２００から形成することができるため、内部シール部２１０および外部シール部２３０を形成するためのコスト、およびシール部材を製造するためのコストを削減することができ、燃料電池を製造するコストを削減することができる。そして、樹脂材料２００を樹脂供給路１４０へ流し込むだけの簡易な作業によって内部シール部２１０および外部シール部２３０を形成することができるため、燃料電池の製造作業の作業効率が低下することを防止できる。

図５および図６を参照して、空気極側セパレータ１００ａに形成した案内部１２０は、樹脂供給路１４０にメッシュ形状に形成された穴部１２１を有している。空気極側セパレータ１００ａの樹脂供給路１４０に供給された樹脂材料２００は、メッシュ形状の穴部１２１から浸透するようにして重ね合わせて配置した燃料極側セパレータ１００ｂへ流れ込む。樹脂材料２００は、燃料極側セパレータ１００ｂに形成された溝部１０１および燃料極側セパレータ１００ｂと空気極側セパレータ１００ａとの合わせ面１０２にさらに流れ込む。案内部１２０が有するメッシュ形状の穴部１２１によって、空気極側セパレータ１００ａに重ね合わせて配置した燃料極側セパレータ１００ｂに効率的に樹脂材料２００を流し込むことができる。

燃料極側セパレータ１００ｂに流れ込んだ樹脂材料２００は、燃料極側セパレータ１００ｂに形成された冷却剤用の貫通孔１１３と冷却剤流路１５０ｃとを連通状態に維持するとともに、その他の貫通孔１１１、１１２と冷却剤流路１５０ｃとの連通状態を遮断する第２の内部シール部２２０を形成する。溝部１０１に流れ込んだ樹脂材料２００によって、流路１５０ｃを流れる冷却剤４３０が外部へ漏れ出すことを防止する外部シール部２３０をも形成する。

案内部１２０によって燃料極側セパレータ１００ｂに流れ込んだ樹脂材料２００は、硬化することによって、空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとを接合する。

一般的に、燃料電池に用いられるセパレータは、隣接して配置するセパレータ同士を接合し、対にした状態で積層している。セパレータ同士の接合は、溶接等によって行われるため、溶接を行うための設備や接合工程が必要になる。

これに対して、本実施形態にあっては、空気極側セパレータ１００ａの樹脂供給路１４０へ供給した樹脂材料２００を、重ね合わせて配置した燃料極側セパレータ１００ｂへ案内部１２０を介して流し込むことができる。樹脂材料２００が硬化することによって、空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとが接合される。このため、セパレータ１００ａ、１００ｂ同士を接合するための溶接作業を省略することができ、燃料電池の製造に要するコストを削減することができるとともに、製造作業の作業効率を向上させることができる。

図６を参照して、空気極側セパレータ１００ａは、燃料極側セパレータ１００ｂに形成された凹凸部１３０ｂに合致する形状に形成された位置決め用凹凸部１３０ａを有している。空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとを重ね合わせる際に、互いの凹凸部１３０ａ、１３０ｂを向き合わせて配置することによって、位置決め精度を向上して配置することができる。図示例にあっては、案内部１２０の奥行き方向（図中矢印ａで示す方向）の幅寸法を、位置決め用凹凸部１３０ａの幅寸法より小さく形成している。位置決め用凹凸部１３０ａを伝わって樹脂材料２００が広範囲に流出することを防止し、樹脂材料２００の使用量を削減するためである。

図７〜９を参照して、燃料電池モジュールの製造装置３００が備える射出部３２１および吸気部３２２は、柱形状に形成している。柱形状に形成することによって、空気極側セパレータ１００ａ、燃料極側セパレータ１００ｂ、および膜電極接合体６０を積層型３１０に配置する際、射出部３２１に突き当てて配置することができ、積層位置を容易に定めることができる。さらに、樹脂材料２００を射出した際に単セル５０が位置ずれすることを防止できる。

射出部３２１および吸気部３２２は、積層型３１０に対して接近離反移動（図７（Ａ）中矢印で示す方向）自在にして設けている。

燃料電池モジュール１０を製造する際には、まず、射出部３２１および吸気部３２２を単セル５０に密着させる。密着させた状態で樹脂材料２００を樹脂供給路１４０へ向けて射出し、さらに射出された樹脂材料２００を吸気部３２２によって吸引させる。樹脂材料２００を優先的に各セパレータ１００ａ、１００ｂの貫通穴１１１、１１２、１１３の周囲に流し込むことによって、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０を形成する（図８（Ａ）を参照）。

空気極側セパレータ１００ａに形成された案内部１２０は、樹脂材料２００を燃料極側セパレータ１００ｂに浸透するように流し込み、セパレータ１００ａ、１００ｂ同士、またはセパレータ１００ａ、１００ｂと膜電極接合体６０とを接合する。図９において、実線で示された樹脂供給路１４０に射出された樹脂が、破線で示された樹脂供給路１４０へ流れ込むことによって、それぞれの層間に内部シール部２１０、２２０を形成する。

吸気部３２２は、射出部３２１によって射出された樹脂材料２００を吸引するとともに、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０内に空気が残留することを防止し、それぞれの内部シール部２１０、２２０内に空気が閉じ込められた部位が形成されることを防止する。それぞれの内部シール部２１０、２２０内に、空気が残留することを防止することによって、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０のシール性を向上させることができる。

第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０は、燃料電池内を流通させる各流体を区画して、導流する役割を有しており、より高いシール性能が必要となる。このため、本実施形態にあっては、内部シール部２１０、２３０内に空気が残留することを防止し、積極的にシール性を向上させている。

第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０を形成した後、射出部３２１および吸気部３２２を積層型３１０から離反した位置に移動させて、再び樹脂材料２００を射出する。樹脂材料２００は、積層型３１０の成形面３１１と単セル５０との間に射出する。樹脂材料２００は、外部シール部２３０を形成するとともに単セル５０の周囲を覆って単セル５０を一体化させて燃料電池モジュール１０を形成する（図２を参照）。

燃料電池モジュール１０は、第１の内部シール部２１０、第２の内部シール部２２０および外部シール部２３０を一体にして形成している。さらに、その周囲を樹脂材料２００に覆わせて単セル５０を一体化している。このため、各セパレータ１００ａ、１００ｂ間およびセパレータ１００ａ、１００ｂと膜電極接合体６０との間を樹脂材料２００によってシールすることができ、締結部材を用いることなく燃料電池モジュール１０を製造することができる。締結部材を用いる必要がないため、燃料電池モジュール１０の製造に要するコストを削減することができる。

次に、燃料電池モジュール１０の製造方法について説明する。

図７（Ａ）および（Ｂ)を参照して、空気極側セパレータ１００ａ、燃料極側セパレータ１００ｂおよび膜電極接合体６０を積層した単セル５０を積層型３１０に配置する。なお、図中省略するが、単セル５０は、エンドプレート１６０によって挟持させた状態で加圧し、互いに密着させた状態のものを積層型３１０に配置している。

単セル５０の配置は、射出部３２１および吸気部３２２を利用して積層位置を位置決めして行う。

図８（Ａ）を参照して、射出部３２１を単セル５０に対して接近させ、単セル５０と射出部３２１とを密着した状態にする（図中矢印Ａで示す）。

単セル５０と射出部３２１とを密着させた状態で樹脂材料２００を射出する（図中矢印ｂで示す）。図中破線で示される樹脂材料２００の射出経路は、単セル５０の下層において射出された樹脂材料２００の流れを示す。

射出部３２１によって樹脂材料２００を射出するとともに、吸気部３２２によって樹脂供給路１４０に沿って樹脂材料２００を吸引させる。吸気部３２２によって吸引された樹脂材料２００は、各セパレータ１００ａ、１００ｂの貫通穴１１１、１１２、１１３の周囲に流れ込み、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０を形成する。

吸気部３２２により樹脂材料２００を吸引させて第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０を形成することによって、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０に空気が閉じ込められた部位が形成されることを防止する。

樹脂供給路１４０に供給された樹脂材料２００は、各セパレータ１００ａ。１００ｂの案内部１２０に導かれて隣接して配置されたセパレータ１００ａ、１００ｂ、または膜電極接合体６０へ浸透するように流れ込む（図９を参照）。セパレータ１００ａ、１００ｂ同士、またはセパレータ１００ａ、１００ｂと膜電極接合体６０との接合を樹脂材料２００によって行うことが可能になる。

図８（Ｂ）を参照して、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０を形成する位置に樹脂材料２００が行き渡った後、射出部３２１よび吸気部３２２を単セル５０から離反した位置に移動させる（図中矢印Ａ′で示す）。

成形面３１１と単セル５０との間に再び樹脂材料２００を射出し、外部シール部２３０を形成するとともに、単セル５０の周囲を樹脂材料２００によって囲むようにして覆わせる。第１の内部シール部２１０、第２の内部シール部２２０、および外部シール部２３０を同一の樹脂材料２００で形成することが可能となる。

次に、樹脂材料２００を硬化させる。樹脂材料２００を硬化させる方法は、使用した樹脂材料２００の材質に合わせて適宜選択する。締結部材を使用せずに、樹脂材料２００によって単セル５０が一体化された燃料電池モジュール１０が形成される。

上述したように、本実施形態にあっては、樹脂供給路１４０に樹脂材料２００を流し込むことによって第１の内部シール部２１０および外部シール部２３０を形成することができる。第１の内部シール部２１０および外部シール部２３０を同一の樹脂材料２００から形成することができるため、シール部を形成するためのコスト、およびシール部材を製造するためのコストを削減することができ、燃料電池を製造するコストを削減することができる。また、樹脂材料２００を樹脂供給路１４０へ流し込むだけの簡易な作業によってシール部を形成することができるため、燃料電池の製造作業の作業効率が低下することを防止できる。

空気極側セパレータ１００ａの樹脂供給路１４０へ供給した樹脂材料２００を、重ね合わせて配置した燃料極側セパレータ１００ｂへ案内部１２０を介して流し込むことができ、樹脂材料２００によって空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとを接合することができる。このため、セパレータ１００ａ、１００ｂ同士を接合するための溶接作業等を省略することができ、燃料電池の製造に要するコストを削減することができるとともに、製造作業の作業効率を向上させることができる。

案内部１２０が有するメッシュ形状の穴部１２１によって、空気極側セパレータに重ね合わせて配置した燃料極側セパレータ１００ｂに効率的に樹脂材料２００を流し込むことができる。

空気極側セパレータ１００ａと燃料極側セパレータ１００ｂとを重ね合わせる際に、互いの凹凸部１３０ａ、１３０ｂを向き合わせて配置することによって、位置決め精度を向上して配置することができる。

第１の内部シール部２１０、第２の内部シール部２２０および外部シール部２３０を一体にして形成され、さらに、その周囲を樹脂材料２００に覆わせて単セル５０を一体化した燃料電池モジュール１０を取得することができる。

各セパレータ１００ａ、１００ｂ間およびセパレータ１００ａ、１００ｂと膜電極接合体６０との間を樹脂材料２００によってシールすることができるとともに、締結部材を用いることなく燃料電池モジュール１０を製造することができる。

吸気部３２２は、射出部３２１によって射出された樹脂材料２００を吸引するとともに、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０内に空気が残留することを防止し、空気が閉じ込められた部位が形成されることを防止する。このため、第１の内部シール部２１０および第２の内部シール部２２０のシール性を向上させることができる。

（変形例）
図１０（Ａ）は、本実施形態の変形例に係る空気極側セパレータ１００ａの要部を拡大して示す斜視図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の破線１０Ｂで囲まれた要部を拡大して示す平面図である。図１〜９に示した部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

図１０（Ａ）、および（Ｂ)を参照して、変形例にあっては、空気極側セパレータ１００ａに形成した案内部１２０は、樹脂供給路１４０に形成されたスリット状の切れ込み部１２２を有している。

樹脂供給路１４０に形成された切れ込み部１２２は、燃料極側セパレータ１００ｂとの重ね合わせ面１０２（図６を参照）に樹脂材料２００を浸透させるように漏れ出させる。スリット状に形成された切れ込み部１２２は、セパレータ１００ａ、１００ｂ間に形成されたわずかな隙間に毛細管現象を利用して樹脂材料２００を流し込む。

このため、変形例に係る空気極側セパレータ１００ａにあっては、より効率的に樹脂材料２００をセパレータ１００ａ、１００ｂ間に流し込むことができ、セパレータ１００ａ、１００ｂ同士の接合強度を向上せることができる。

変形例に係る案内部１２０は、スリット状の切れ込み部１２２を有しているが、例えば、スリット状の切れ込み部１２２に代えて、円形や格子状のパターンで形成された穴部１２１によって樹脂材料２００を流れ込ませる形態であってもよく、その形状等を適宜改変することが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変することができる。

樹脂供給路１４０の形状は、図示される形態に限定されるものでなく、貫通孔ごとに区画してシール部を形成する第１のシール部および第２のシール部と、外部へ流体が漏れ出すことを防止する外部シール部とを形成することが可能な範囲において適宜変更することが可能である。

案内部１２０の形状や設ける位置は、実施形態において説明した構成に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。空気極側セパレータ１００ａに案内部１２０を形成した実施形態によって説明を行っているが、例えば、燃料極側セパレータ１００ｂに形成した構成としてもよい。

位置決め用凹凸部１３０ａ、１３０ｂは、重ね合わせる位置の精度を向上させる場合に適宜設けられていればよく、その形成を適宜省略することができる。

実施形態にあっては、空気極側セパレータ１００ａ上において、酸化剤ガス用の貫通孔１１１から流入した酸化剤ガス４１０を、酸化剤ガス流路１５０ａへ導流するためのシール部として、第１の内部シール部２１０を説明しているが、燃料極側セパレータ１００ｂ上において流通させる燃料ガス４２０を導流するために燃料ガス極側セパレータ１００ｂに形成するシール部を第１の内部シール部として形成することも可能である。

（第２の実施形態）
図１１および図１２は、第２の実施形態に係る燃料電池スタック２０の説明に供する断面図である。図１〜１０に示した部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

図１１および図１２を参照して、第２の実施形態にあっては、燃料電池モジュール１０に設けられた流体用配管１１（図１をも参照）、および電極端子１５を介して複数の燃料電池モジュール１０を機械的に接続し、燃料電池スタック２０を構成している。

図１１を参照して、燃料電池モジュール１０に形成された電極端子１５は、円筒形状に形成されており、接続する他の燃料電池モジュール１０に形成された電極端子１５よりその外周径の寸法を小さくして形成している。このため、燃料電池モジュール１０の電極端子１５を、他の燃料電池モジュール１０の電極端子１５に対して嵌合して接続することができる。

図１２を参照して、燃料電池モジュール１０に形成された流体用配管１１は、他の燃料電池モジュール１０に形成された流体用配管１１に対して、それぞれ嵌合させて接続することが可能な外形形状に形成している。このため、電極端子１５とともに流体用配管１１をそれぞれ嵌合させて接続することができ、複数個の燃料電池モジュール１０によって燃料電池スタック２０を形成することができる。

上述したように、第２の実施形態にあっては、電極端子１５および流体用配管１１を嵌合させて機械的に接続するだけの簡易な方法により燃料電池スタック２０を構成することができる。このため、メンテナンス性に優れ、かつ、接続に要する部品点数を減少させた燃料電池スタック２０を製造することができる。

上述した第２の実施形態における構成は、適宜改変することができる。

流体用配管１１および電極端子１５の形状や設ける位置は、実施形態に説明された形状等に限定されるものではなく、燃料電池モジュール１０同士の機械的な接続が可能な範囲において適宜変更することが可能である。

第２の実施形態にあっては、２つの燃料電池モジュール１０を接続した形態で説明を行っているが、例えば、燃料電池モジュール１０を接続する個数をさらに増加させることも可能である。

燃料電池スタックを示す概略斜視図である。 図２は、燃料電池スタックを簡略化して示す断面図であり、図２（Ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線に沿う断面図、図２（Ｂ）は、図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。 燃料電池スタックを構成する単セルを簡略化して示す断面図である。 空気極側セパレータを示す平面図である。 図５（Ａ）は、空気極側セパレータの要部を拡大して示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の破線５Ｂで囲まれた要部を拡大して示す平面図である。 図６（Ａ）は、空気極側セパレータと燃料極側セパレータとを積層する方法の説明に供する斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印６Ｂ−６Ｂに沿う断面図である。 図７（Ａ）は、燃料電池スタックの製造装置を簡略化して示す平面図であり、図７（Ｂ）は、燃料電池スタックの製造装置の説明に供する斜視図である。 図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、燃料電池スタックの製造方法の説明に供する平面図である。 燃料電池モジュールの製造方法の説明に供する斜視図である。

変形例に係る空気極側セパレータの要部を拡大して示す斜視図である。 第２の実施形態に係る燃料電池スタックモジュールの説明に供する断面図である。 第２の実施形態に係る燃料電池スタックモジュールの説明に供する断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池モジュール、
１１ 流体用配管、
１２ａ 酸化剤ガス供給側配管、
１２ｂ 酸化剤ガス排出側配管、
１３ａ 燃料ガス供給側配管、
１３ｂ 燃料ガス排出側配管、
１４ａ 冷却剤供給側配管、
１４ｂ 冷却剤排出側配管、
１５ 電極端子、
２０ 燃料電池スタック、
５０ 単セル（積層体）、
６０ 膜電極接合体、
７０ 燃料極、
８０ 空気極、
９０ 電解質膜、
１００ａ 空気極側セパレータ（燃料電池用セパレータ）
１００ｂ 燃料極側セパレータ（他のセパレータ）、
１０１ 溝部、
１０２ 合わせ面、
１０５ａ 空気極側セパレータの流路溝、
１０５ｂ 燃料極側セパレータの流路溝、
１０６ 段
１１０ 貫通孔、
１１１ 酸化剤ガス用の貫通孔（一方の貫通孔、残余の貫通孔）、
１１２ 燃料ガス用の貫通孔（残余の貫通孔）、
１１３ 冷却剤用の貫通孔（残余の貫通孔）、
１２０ 案内部、
１２１ 穴部、
１２２ 切れ込み部、
１３０ａ 位置決め用凹凸部、
１３０ｂ 凹凸部、
１４０ 樹脂供給路、
１５０ａ 酸化剤ガス流路（ガス流路）、
１５０ｂ 燃料ガス流路（ガス流路）、
１５０ｃ 冷却剤流路、
１６０ エンドプレート、
２００ 樹脂材料、
２１０ 第１の内部シール部、
２２０ 第２の内部シール部、
２３０ 外部シール部、
３００ 燃料電池モジュールの製造装置、
３１０ 積層型、
３１１ 成形面、
３２０ 樹脂供給手段、
３２１ 射出部、
３２２ 吸気部、
４１０ 酸化剤ガス、
４２０ 燃料ガス、
４３０ 冷却剤、
５００ 他の燃料電池モジュール、
ｄ１ 排出側配管の内径寸法、
ｄ２ 供給側配管の外径寸法。

Claims (10)

1. 酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却剤のそれぞれを通す複数個の貫通孔が形成され、膜電極接合体に重ね合わされて前記膜電極接合体との間に前記酸化剤ガス、または前記燃料ガスを流通させるガス流路を形成する燃料電池用のセパレータであって、
   前記酸化剤ガス用の貫通孔および前記燃料ガス用の貫通孔のうちの一方の貫通孔のみと前記ガス流路とを連通状態にするとともに残余の貫通孔と前記ガス流路との連通状態を遮断する第１の内部シール部と、前記ガス流路を流れる前記酸化剤ガス、または前記燃料ガスの外部への漏れをシールする外部シール部との両者を、樹脂材料を供給することによって形成するための樹脂供給路を有しているセパレータ。
2. 前記膜電極接合体に重ね合わされる面とは反対側に重ね合わされる他のセパレータとの間に形成される冷却剤を流通させる冷却剤流路と前記冷却剤用の貫通孔とを連通状態にするとともに残余の貫通孔と前記冷却剤流路との連通状態を遮断する第２の内部シール部を、前記樹脂供給路を介して供給された樹脂材料によって形成するために、前記樹脂供給路から前記他のセパレータとの間に導く案内部をさらに有する請求項１に記載のセパレータ。
3. 前記案内部は、前記樹脂供給路にメッシュ形状に形成された穴部を有する請求項２に記載のセパレータ。
4. 前記案内部は、前記樹脂供給路に形成されたスリット状の切れ込み部を有する請求項２に記載のセパレータ。
5. 前記他のセパレータに形成された凹凸部に合致する形状に形成され、前記他のセパレータとの重ね合わせ位置を定める位置決め用凹凸部をさらに有する請求項２〜４のいずれか１項に記載のセパレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載されたセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を有し、前記樹脂供給路に供給された樹脂材料によって前記積層体の周囲が覆われて一体化して形成された燃料電池モジュール。
7. 請求項６に記載された燃料電池モジュールは、前記積層体の積層方向に前記樹脂材料から突出して形成されるとともに前記貫通孔のそれぞれに前記酸化剤ガス、前記燃料ガス、および前記冷却剤を供給する流体用配管、および前記積層体によって生じさせた電気を外部に取り出す電極端子を有し、
   前記流体用配管および前記電極端子を備える他の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールとを前記流体用配管および前記電極端子を介して機械的に接続して形成された燃料電池スタック。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載されたセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を配置するとともに前記積層体の周囲を囲む成形面が設けられた積層型と、
   前記樹脂材料を前記樹脂供給路および前記積層体と前記成形面との間に流し込む樹脂供給手段と、を有する燃料電池モジュールの製造装置。
9. 前記樹脂供給手段は、前記樹脂供給路に向けて前記樹脂材料を射出する射出部と、射出された前記樹脂材料を前記樹脂供給路に沿って吸引する吸気部と、を有する請求項８に記載の燃料電池モジュールの製造装置。
10. 請求項１〜５のいずれか１項に記載されたセパレータと膜電極接合体とを複数積層して形成された積層体を前記積層体の周囲を囲む成形面が設けられた積層型に配置する工程と、
    前記樹脂供給路に向けて前記樹脂材料を射出する工程と、
    前記射出された前記樹脂材料を前記樹脂供給路に沿って吸引し、前記第１の内部シール部および前記第２の内部シール部を形成する工程と、
    前記積層体と前記成形面との間に前記樹脂材料を射出することにより前記外部シール部を形成するとともに前記積層体の周囲を前記樹脂シール部材によって覆わせて一体化させる工程と、を有する燃料電池モジュールの製造方法。

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