JP2010238581A - 燃料電池セルおよび燃料電池とそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスケットを射出成形する際に注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】セパレータ７と、第１のガス透過層４’、６’と、膜電極接合体３と、第２のガス透過層４，６と、を順に積層させ、この積層姿勢において、電解質膜１が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータ７が電解質膜１よりも側方へ張り出しており、該電解質膜１の張り出している箇所１ａを第１のガス透過層に固定して、仮の一体ユニットを製造する工程と、成形型内に一体ユニットを収容し、膜電極接合体３およびガス透過層の周縁にガスケット８を成形して燃料電池セル１０を形成する工程と、からなる燃料電池セルの製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルと、複数の該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池、およびそれら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。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、電極体および金属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するものなどがある。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。

たとえば、成形型内に一つの３層構造セパレータと、金属多孔体とガス拡散層と膜電極接合体を収容して型閉めし、膜電極接合体の側方に画成されたガスケット用のキャビティ内に樹脂を注入してガスケットを成形する場合において、成形型内で膜電極接合体側に流れてきた樹脂の圧力により、側方に張り出した電解質膜の端部が上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題が生じていた。

これを図７とその一部を拡大した図８に基づいて説明する。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、通常は、セパレータｇ、多孔体ｆ２、電極体ｅ、多孔体ｆ１が順に成形型内に収容される。ここで、電解質膜ａの張り出している箇所ａ１は電極体ｅの側方に突出している。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プレートｇ１、ｇ２と、こ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層ｇ３と、から構成されており、成形型内に、セパレータｇ、多孔体ｆ２、電極体ｅ、多孔体ｆ１が積層姿勢を成した状態で型閉めされる。なお、この収容された構成部材のユニットで一つの燃料電池セルが形成されるものである。ここで、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。

型閉めの後に、注入孔Ｈを介してガスケット成形用のキャビティＣ内に樹脂が注入される（Ｙ方向）。樹脂が注入されると、キャビティＣ内で水平方向に張り出した電解質膜ａの張り出している箇所ａ１には、図８で示すようにその樹脂圧が作用し、該張り出している箇所ａ１は上方に持ち上げられてキャビティＣの上面に当接する。

この姿勢でガスケットが成形されて燃料電池セルが製造されると、電解質膜ａはその張り出している箇所ａ１の端部がガスケットの上面に臨んだ状態となってしまう（張り出している箇所ａ１が外部に臨む）。このような燃料電池セルを所定の基数だけ接着させることなく積み重ね、スタッキングすることにより、従来の燃料電池は形成されている。燃料電池セル同士を接着させないことにより、たとえば発電不良となった燃料電池セルを抜き出して他の燃料電池セルと入れ替えるといったメンテナンスが可能となる。したがって、一つの燃料電池セルに着目した際に、その構成部材であるアノード側およびカソード側の金属多孔体の一方には３層構造のセパレータがガスケットの射出成形の際に接着しており、他方の金属多孔体には積層姿勢において隣接する燃料電池セルのセパレータが接着されることなく当接した状態となっている。

燃料電池セル同士が接着されることなく積み重ねられているのみの構造であるため、上記するようにそのメンテナンスは可能となる一方で、当該燃料電池セルと隣接セルのセパレータとの間に外部に連通する隙間が生じることは避けられない。それに加えて、上記のごとく電解質膜の張り出している箇所の端部が外部に臨んだ状態となっていることから、電解質膜が外部に通じる状態が形成されることとなり、このことは、ガスのクロスリーク路が形成されることを意味するものであり、燃料電池のクロスリーク耐久低下の一因となるものである。

なお、本出願人によってなされた従来の公開技術として特許文献１を挙げることができ、当該文献には、射出成形に際して、成形型内で電解質膜の端部を押圧部材でセパレータ側に押圧した姿勢で射出成形する技術が開示されている。

上記する公開技術によれば、図７，８で示すガスのクロスリーク路の形成が効果的に抑制される。しかしその一方で、キャビティ内に押圧部材が介在することで注入された樹脂の樹脂流れが阻害されること、押圧部材に作用する樹脂の注入圧に対して該押圧部材の所期の姿勢を保持しながら膜端部をセパレータ側に十分に押さえ付けることが困難であること、さらには、ガスケット成形時にセル積層部材を順次成形型内に載置する際の加工手間などに鑑み、本発明者等は更なる改良を試みてこれらの課題を改善できる技術思想に到達した。

特開２００８−１２３８８５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、燃料電池セルを構成する膜電極接合体とガス透過層の周縁にガスケットを射出成形して燃料電池セルを製造する方法に関し、注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の張り出している箇所が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成して燃料電池のクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池セルの製造方法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、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に形成された流体シール用のガスケットと、を具備する燃料電池セルの製造方法であって、前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、を順に積層させ、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部を前記第１のガス透過層および／または前記セパレータに固定して、仮の一体ユニットを製造する第１の工程と、成形型内に前記一体ユニットを収容し、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなるものである。

本発明の製造方法にて製造される燃料電池セルのセル構造は、膜電極接合体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と称呼している。また、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の他にも、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造を含むものである。

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。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。

本発明の燃料電池セルの製造方法は、たとえば既述する３層構造のセパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体と、膜電極接合体およびガス拡散層（電極体）を成形型内に収容して該膜電極接合体等の周縁に射出成形にてガスケットを形成することで燃料電池セルを製造する方法に関し、電極体を構成する触媒層やセパレータと当接しないガス透過層（第２のガス透過層）に比して側方に張り出している、電解質膜の該側方へ張り出している箇所を、ガスケット成形前の段階で第１のガス透過層および／またはセパレータに仮固定してアッセンブリ化し、仮の一体ユニットを製造した後にこのユニットを成形型内に収容し、射出成形にてガスケットを成形するものである。この製造方法により、成形型内にセル積層部材を順次載置していく際の加工手間を解消することができ、しかも、電解質膜の側方に張り出している箇所がたとえば第１のガス透過層等に仮固定されていることで、射出成形時の樹脂圧にて該張り出している箇所が上方に持ち上げられるという課題が効果的に解消される。

ここで、電解質膜の張り出している箇所を第１のガス透過層および／またはセパレータに仮固定する際の固定手段として、以下の２つの形態を挙げることができる。

固定手段の一つの形態は、従来の燃料電池で使用されている保護フィルムを適用し、この保護フィルムの一部と電解質膜の張り出している箇所を接着等し、保護フィルムの他部と第１のガス透過層等を接着等するものである。

また、固定手段の他の一つの形態は、第１のガス透過層に形成されているバリや、あるいは、第１のガス透過層の端部の折り曲げ部にて電解質膜の張り出している箇所を固定する形態である。

たとえば、第１のガス透過層を形成するガス流路層がエキスパンドメタルからなる場合には、プレートをせん断加工してできるエキスパンドメタルに自動的に生じ得るバリを上記固定手段として有効利用することができる。また、例えば、このエキスパンドメタルの端部を折り曲げておき、この折り曲げ部にて電解質膜の張り出している箇所の端部を収容することで、該張り出している箇所を仮に固定することができる。

なお、この製造方法によって製造された燃料電池セルが所定基数積層され、スタッキングされることによって燃料電池スタック（燃料電池）が製造される。

また、本発明による燃料電池セルは、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、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に形成された流体シール用のガスケットと、を具備する燃料電池セルであって、セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が順に積層され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部が前記第１のガス透過層および／または前記セパレータに固定手段を介して固定されて仮の一体ユニットを成し、膜電極接合体およびガス透過層の周縁に設けられたガスケットにて一体とされているものである。

ここで、この燃料電池セルにおける固定手段としては、既述するように、保護フィルム、第１のガス透過層に形成されているバリ、第１のガス透過層の端部の折り曲げ部などを挙げることができる。

この燃料電池セルが所定数積層され、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートがセル積層体の総マイナス側および総プラス側に配され、全体がスタッキングされることによって燃料電池スタック（燃料電池）が製造される。この燃料電池は、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器により一層の高性能と低い製造コストを要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、ガスケットを射出成形する前段で、燃料電池セルを構成する積層部材を積層させ、電解質膜の張り出している箇所をガス透過層および／またはセパレータに固定して仮の一体ユニットを製造し、この一体ユニットを成形型内に移載して射出成形を実行することにより、製造効率を格段に高めることができる。さらには、電解質膜の張り出している箇所を第１のガス透過層等に直接的に仮固定するだけの極めて簡易な方法により、電解質膜の張り出している箇所がたとえばガスケット成形時の樹脂圧によって持ち上げられ、これが外部に臨んでガスのクロスリーク路を形成するといった課題を効果的に解消することができる。

本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前の、セパレータと、第１、第２のガス透過層と、膜電極接合体と、からなる仮の一体ユニットの一実施の形態を説明した図である。 仮の一体ユニットの他の実施の形態を説明した図である。 仮の一体ユニットのさらに他の実施の形態を説明した図である。 本発明の燃料電池セルの製造方法の第２の工程を説明した縦断面図である。 燃料電池セルを積層する前の状態を説明した縦断面図である。 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。 従来の方法によって、成形型内でガスケットを成形している状況を説明した縦断面図である。 図７において、電解質膜の張り出し端部が樹脂圧によって上方に持ち上げられている状況を説明した拡大図である。

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、図示例では、電解質膜１の張り出している箇所１ａをアノード側のガス流路層６’に仮固定する実施の形態を示しているが、これに限らず、張り出している箇所１ａが、セパレータ７や、ガス流路層６’およびセパレータ７の双方に仮固定されるものであってもよいことは勿論のことである。

図１は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前の、セパレータと、第１、第２のガス透過層と、膜電極接合体と、からなる仮の一体ユニットを説明した図であり、図２，３は、仮の一体ユニットの他の実施の形態を説明した縦断面図である。

図１で示す燃料電池セルは、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’（ガス透過層）が挟持して電極体５が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層６，６’（ガス透過層、金属多孔体）が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層６’側に３層構造のセパレータ７が配されて構成される。なお、カソード側の金属多孔体６とガス拡散層４とから第２のガス透過層が形成され、アノード側の金属多孔体６'とガス拡散層４’とから第１のガス透過層が形成されている。

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’等の基材にたとえば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、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、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とともに、生成水を排水する撥水作用を奏するものであり、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、導電性炭素材料と、フッ素樹脂などから形成できる。

また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。なお、図示例では、金属プレートをせん断加工した際にバリが生じ易いエキスパンドメタルを使用するものであり、電解質膜１の張り出している箇所１ａをこのバリ９Ａにてガス流路層６’に仮固定するものである。

また、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金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却水流路やガス流路が形成された中間層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路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路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。

図１で示すように、本発明の製造方法の第１の工程では、３層構造のセパレータ７、エキスパンドメタルからなるガス流路層６’、電極体５、ガス流路層６を積層し、ガス流路層６’の端部のバリ９Ａを電解質膜１の張り出している箇所１ａに突き刺してこれを仮に固定し、図示のごとき仮の一体ユニットを製造する。

図２，３は、第１の工程で製造される仮の一体ユニットの他の実施の形態を示したものである。

まず、図２で示す実施の形態は、ガス流路層６’の端部を折り曲げ加工してできる折り曲げ部６’ａに、電解質膜１の張り出している箇所１ａの端部を収容し、仮に固定する形態である。

一方、図３で示す実施の形態は、電解質膜１の張り出している箇所１ａとガス流路層６’の双方に保護フィルム９Ｂを接着し、間接的に双方を仮に固定する形態である。この保護フィルム９Ｂは、触媒層の周縁であって電解質膜の露出領域に配設され、ガス透過層からの毛羽の突き刺さりを防止するために設けられる公知の保護フィルムを使用できる。

その素材としては、たとえば、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を挙げることができる。

図１〜図３で示すように、電解質膜１の張り出している箇所１ａをたとえばガス流路層６’に仮に固定して仮の一体ユニットを製造し、これを成形型内に収容してガスケットの射出成形を実施する。図４は、図１で示す仮の一体ユニットを取り上げ、成形型内で射出成形が実施されている状況を説明したものである。

図４で示すように、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２とからなる成形型内に、図１で示すガスケット成形前の仮の一体ユニットを収容し、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４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。

図７で示す従来の製造方法と異なり、本発明の製造方法では、電解質膜１の張り出している箇所１ａがアノード側の金属多孔体６’に仮に固定されているため、膜電極接合体３の側方から流れてきた樹脂の樹脂圧によって該張り出している箇所１ａが上方に持ち上げられることがない。すなわち、電解質膜１の張り出している箇所１ａが下方の金属多孔体６’に仮固定された姿勢で、キャビティＣ内に樹脂が充填され、ガスケットが成形される。

この射出成形により、セパレータ７の表面上にガスケットが直接成形されることから、セパレータとガスケットの密着領域は十分に接着され、したがって、これらの界面が外部に流体連通することはない。このことから、この界面側に配向する電解質膜１の張り出している箇所１ａも同様に外部に連通することはなく、図８で示すように、ガスケットのうち、セパレータと接着しない側の表面に電解質膜の端部が臨んでこれが外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路を形成するという問題は生じ得ない。

図５は、図４で示す第２の工程にて製造された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。

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４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６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、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６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の中間層７３からプレート７１に亘って形成された供給ガス流路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の中間層７３からプレート７２に亘って形成された供給ガス流路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セルの製造方法によれば、射出成形時の樹脂圧によって電解質膜の張り出している箇所が持ち上げられ、該張り出している箇所がセパレータと接着していない側のガスケットの端面に臨んで外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路となることが効果的に抑止される。しかも、電解質膜の張り出している箇所をアノード側の金属多孔体、もしくは該金属多孔体およびセパレータと仮に固定し、次いで射出成形してガスケットを成形するという極めて簡易な方法によってクロスリーク耐久の高い燃料電池を製造するものであることから、その製造効率も高く、需要増に伴う燃料電池の大量生産に好適である。

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。

１…電解質膜、１ａ…張り出している箇所、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…カソード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’…アノード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、７…セパレータ、７１、７２…プレート、７３…中間層、８…ガスケット、９Ａ…バリ、９Ｂ…保護フィルム、１０…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

Claims (10)

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、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に形成された流体シール用のガスケットと、を具備する燃料電池セルの製造方法であって、
   前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、を順に積層させ、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部を前記第１のガス透過層および／または前記セパレータに固定して、仮の一体ユニットを製造する第１の工程と、
   成形型内に前記一体ユニットを収容し、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなる、燃料電池セルの製造方法。
2. 前記電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部が、保護フィルムを介して、前記第１のガス透過層および／または前記セパレータに固定される、請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
3. 前記電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部が、前記第１のガス透過層に形成されているバリ、もしくは、前記第１のガス透過層の端部の折り曲げ部にて固定される、請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
4. 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、ガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体、のいずれか一方からなる、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. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法によって製造された複数の燃料電池セルを積層し、スタッキングして燃料電池を製造する、燃料電池の製造方法。
6. 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、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、該膜電極接合体およびガス透過層の周縁に形成された流体シール用のガスケットと、を具備する燃料電池セルであって、
   セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が順に積層され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の張り出している箇所の少なくとも一部が前記第１のガス透過層および／または前記セパレータに固定手段を介して固定されて仮の一体ユニットを成し、膜電極接合体およびガス透過層の周縁に設けられたガスケットにて一体とされている、燃料電池セル。
7. 前記固定手段が保護フィルムからなる、請求項６に記載の燃料電池セル。
8. 前記固定手段が、前記第１のガス透過層に形成されているバリ、もしくは、前記第１のガス透過層の端部の折り曲げ部からなる、請求項６に記載の燃料電池セル。
9. 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、ガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体、のいずれか一方からなる、請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池セル。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の燃料電池セルが積層され、スタッキングされてなる、燃料電池。

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