JP5023742B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に関する。

従来から、例えば、下記特許文献１や下記特許文献２に示すような固体高分子型燃料電池の構造は知られている。これらの従来の固体高分子型燃料電池の構造においては、２枚の平板状のカーボン板やセパレータ基板間に、電界膜（電解質）、アノード電極およびカソード電極からなる電極層（ＭＥＡ）と突片の形成された金属板や凹凸溝の形成されたコレクタとを配置するとともに、金属板やコレクタの周囲にシール（フレーム）を配置する単セル構造を採用している。この単セル構造により、電極層（ＭＥＡ）の表面、シール（フレーム）の内周面およびカーボン板（セパレータ基板）の表面によって空間が形成され、この空間内に金属板（コレクタ）を収容することによって、導入された燃料ガスと酸化ガスが流通するガス流路が形成されるようになっている。

このように、上記従来の燃料電池の構造においては、導入された燃料ガスおよび酸化ガスを流通させるための空間を形成するために別途、シール（フレーム）を設けなければならない。このため、単セルを多数積層して燃料電池スタックを構成するためには、組み付けるべき部品点数が増大するという問題がある。また、シール（フレーム）は、導入された燃料ガスおよび酸化ガスの外部への漏れを防ぐ機能を有している。このため、例えば、電極層（ＭＥＡ）上の適正位置にシール（フレーム）を配置して接着した後、金属板（コレクタ）をシール（フレーム）の収容部分に収容し、その後、カーボン板（セパレータ基板）をシール（フレーム）に接着するなど、部品点数の増大に伴って組み付け作業性が悪化し燃料電池の生産性を向上させることが難しくなるという問題もある。

この点に関し、例えば、下記特許文献３に示すような固体高分子型燃料電池の構造が知られている。この従来の固体高分子型燃料電池の構造においては、導電性多孔質体の外周縁に、例えば、インサート成形によって樹脂部が一体的に形成されるようになっている。これにより、上述した問題を改善し、部品点数の低減や組み付け作業性の向上が期待できる。
特開２００２−１８４４２２号公報 特開２００５−３１７３２２号公報 特開２００５−２０９６０７号公報

しかしながら、一般的に、多孔質体に対して溶融樹脂を射出して樹脂部を一体的に成形する場合には、成形時において多孔質体の内部に溶融樹脂が流入し、多孔質体に形成されている多数の孔を塞ぐ可能性がある。この結果、導入された燃料ガスや酸化ガスを良好に電極層（ＭＥＡ）まで供給できず、燃料電池を運転したときの発電効率が低下することが懸念される。この点に関し、特許文献３には、溶融樹脂の多孔質体内部への流入を防ぐべく、例えば、熱可塑性樹脂を用いる場合には多孔質体が接する金型面を冷却したり、熱硬化性樹脂を用いる場合には金型面を加熱したりして、溶融樹脂の流動性を低下させる対策が開示されている。

しかし、これら開示された対策は完全なものではない。すなわち、例えば、使用する樹脂ペレットの物性がロット間で変動することに伴って、流動性を低下させるための冷却温度や過熱温度が変動する場合がある。また、使用する多孔質体の孔径が変動する場合もある。これらの場合には、溶融樹脂の流動性を適切に制御できず、多孔質体内部への溶融樹脂の流入を防ぐことができない可能性がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、溶融樹脂の流入を確実に防止して、樹脂シール部材が一体的に成形された多孔質材料からなるコレクタを備えた固体高分子型燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスの混流を防ぐ複数のセパレータと、同セパレータ間に配置されて、所定の電解質膜に一体的に形成されたアノード電極層およびカソード電極層からなる膜−電極接合体と同膜−電極接合体の前記アノード電極層および前記カソード電極層に対してそれぞれ積層されて前記セパレータを介して導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散して前記アノード電極層または前記カソード電極層に供給するとともに前記膜−電極接合体における電極反応により発電された電気を集電するコレクタとを備えた電極構造体と、から構成される固体高分子型燃料電池であって、前記コレクタは、多数の貫通孔を有する板状の多孔質材料から形成されていて、その周縁端部にて前記貫通孔の孔径を縮径して成形された縮径部を有しており、前記電極構造体が、前記コレクタの周縁端部における前記縮径部を包含して溶融樹脂を射出するインサート成形により形成されて前記導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスをシールするための樹脂シール部材を備えたことにある。この場合、前記板状の多孔質材料は、例えば、多数の貫通孔が網目状にかつ階段状に成形されたメタルラスであるとよい。

これらによれば、多数の貫通孔を有する板状の多孔質材料（例えば、メタルラス）から形成されるコレクタには、その周縁端部にて、貫通孔の孔径を縮径した縮径部を成形することができ、この縮径部を包含して樹脂シール部材がインサート成形される。このように、コレクタに縮径部を成形することによって、インサート成形時における溶融樹脂がコレクタの周縁端部から中央部方向へ流れることを物理的に防止できて、コレクタの中央部付近の貫通孔が塞がれることを確実に防止することができる。その結果、アノード電極層およびカソード電極層に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路を適切にかつ確実に確保することができる。したがって、燃料電池を運転した際における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量不足に伴う発電性能の低下を確実に回避することができる。なお、多孔質材料の形状としての「板状」には、例えば、凹凸成形が施されたものも含まれる。

また、前記コレクタの縮径部は、例えば、前記コレクタの周縁端部をプレス加工することにより成形されるとよい。この場合、より具体的には、前記コレクタの縮径部は、例えば、前記コレクタの周縁端部を折り曲げて重ねた状態でプレス加工することにより成形されるとよい。また、前記コレクタの縮径部は、例えば、前記コレクタの周縁端部に対して、別途、短冊状に切断した板状の多孔質材料を重ねた状態でプレス加工することにより成形されるとよい。これらによれば、特殊な加工を施すことなく、コレクタの周縁端部に縮径部を成形することができ、生産性を大幅に向上させることができる。

また、前記コレクタの縮径部は、例えば、前記コレクタの周縁端部にて部分的にかつ線状にプレス加工することにより成形されるとよい。この場合、前記コレクタの縮径部は、例えば、前記コレクタの周縁端部にて千鳥配置にかつ線状にプレス加工することにより成形されるとより好ましい。これらによれば、コレクタの周縁端部の一部分に、例えば、断面がノッチ状とされた線状の縮径部を成形することができる。これにより、溶融樹脂の流入を防止できるとともに、コレクタに対するプレス加工領域を小さくすることができ、その結果、縮径部の成形に伴うコレクタの板厚変化（より具体的には、中央部付近の板厚変化）を抑制することができて燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路を良好に確保することができる。

また、線状の縮径部を千鳥配置とすることによって、例えば、インサート成形時に射出される溶融樹脂の射出圧力が高くても、溶融樹脂の流入をより効果的に防止することができる。また、線状の縮径部を千鳥配置とすることによって、コレクタを流通する燃料ガスおよび酸化剤ガスの横流れ（より具体的には、アノード電極層およびカソード電極層に直接接触しないガスの流れ）を抑制することができる。したがって、外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よくアノード電極層およびカソード電極層に対して供給することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記コレクタが、さらに、前記インサート成形による溶融樹脂が前記コレクタの周縁端部から中央部方向に流入することを防止するカバーを有しており、前記コレクタの縮径部は、前記カバーを前記コレクタの周縁端部に組み付けるためのかしめ加工に伴って成形されることにもある。これによれば、コレクタの周縁端部にカバーを設けることによって、より確実に溶融樹脂の流入を防止することができるとともに、コレクタの周縁端部に縮径部が成形されることにより、例えば、燃料ガスおよび酸化剤ガスの横流れを抑制することもできる。したがって、外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よくアノード電極層およびカソード電極層に対して供給することができる。

さらに、本発明の他の特徴は、前記インサート成形によって形成する樹脂シール部材の板厚が、前記コレクタの中央部における板厚と略同一としたことにもある。これにより、膜−電極接合体と樹脂シール部材の成形されたコレクタとの組み付け（例えば、接着）や同コレクタとセパレータとの組み付け（例えば、接着）を容易に行うことができる。なお、この場合、より好ましくは、前記インサート成形によって形成する樹脂シール部材の板厚が、前記コレクタの中央部における板厚よりも僅かに小さいとよい。これにより、膜−電極接合体とコレクタとの接触状態およびコレクタとセパレータとの接触状態を良好に確保することができる。このため、コレクタが膜−電極接合体における電極反応によって発電された電気を集電する際の集電抵抗およびコレクタが集電した電気をセパレータに導電する際の集電抵抗を小さくすることができ、その結果、燃料電池からの出力を良好に維持することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの一部を概略的に示した断面図である。この燃料電池スタックは、２枚一対の燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０という）と、これらセパレータ１０間に配置された電極構造体２０とから構成される単セルＴを備えている。そして、燃料電池スタックは、形成された単セルＴを、冷却水路３０を挟持した状態で多数積層することによって構成される。

このように構成された燃料電池スタックにおいては、各単セルＴに対して、例えば水素ガスなどの燃料ガスと、例えば空気などの酸化剤ガスとが外部から導入されることにより、電極構造体２０における電極反応によって電気が発電される。ここで、本明細書では、以下の説明において、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。

セパレータ１０は、燃料電池スタックの外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとの混流を防止して電極構造体２０にガスを供給するとともに、電極構造体２０における電極反応によって発電された電気を外部に出力する。このため、セパレータ１０は、導電性を有する金属薄板（例えば、ステンレス薄板など）から形成されており、図２に概略的に示すように、その一端部側に階段状の段部１１が形成されている。

電極構造体２０は、図３に一部を示すように、外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて電極反応を行うＭＥＡ２１（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）を備えている。ＭＥＡ２１は、電解質膜ＥＦと、同電解質膜ＥＦ上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、燃料ガスの導入側に配置されるアノード電極層ＡＥと、酸化剤ガスの導入側に配置されるカソード電極層ＣＥとを主要構成部品としている。なお、これら電解質膜ＥＦ、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの作用（すなわち、電極反応）については、周知であるとともに本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。また、ＭＥＡ２１のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥのそれぞれの表面側は、導電性を有した繊維としてのカーボンクロスＣＣで覆われている。なお、必要に応じて、ＭＥＡ２１は、このカーボンクロスＣＣを省略して構成することも可能である。

また、電極構造体２０は、ＭＥＡ２１を挟持するように配置されて、セパレータ１０を介して導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを適切に拡散させるとともに電極反応によって発電された電気を集電する２枚一対のコレクタ２２を備えている。コレクタ２２は、図４（ａ）に示すように、多数の小径の貫通孔（図示においては略六角形状）が網目状に形成された金属製の薄板（以下、この金属製の薄板をメタルラスＭＲという）で形成される。このメタルラスＭＲは、例えば、板厚が０．１ｍｍ程度の金属薄板（好ましくは、ステンレス薄板など）から形成されるものであり、多数形成される貫通孔の孔径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされている。そして、メタルラスＭＲは、図４（ｂ）にて図４（ａ）における左右方向の側面視を示すように、網目状の貫通孔を形成している部分が順次重なるように連結されて、その断面形状が階段状とされている。なお、メタルラスＭＲの成形に関しては、周知の製造方法を採用して成形することが可能である。したがって、成形方法に関する説明は省略する。

また、コレクタ２２には、単セルＴの形成に適した大きさの角形に切断されたメタルラスＭＲの周縁端部における網目状の貫通孔の孔径を縮径した、より具体的には、図３に示すように、網目状の貫通孔を潰した縮径部としての目止め部２２ａが成形される。この目止め部２２ａは、後述するように、ＭＥＡ２１とコレクタ２２とを一体的に固定するとともに導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れを防ぐ樹脂シール部２３をインサート成形する際に、溶融した樹脂がコレクタ２２の中央部方向に流入しないようにする目的で成形されるものである。以下、目止め部２２ａを成形するための目止め部成形工程について詳細に説明する。

目止め部成形工程は、図５（ａ），（ｂ）にて概略的に示すように、メタルラスＭＲの周縁端部に折り曲げ加工を施す曲げ加工工程と、折り曲げ加工によって折り曲げられたメタルラスＭＲの周縁端部と一般部とを重ねた状態でプレスすることによって網目状の貫通孔を押し潰し、最終的に目止め部２２ａを成形するプレス工程とからなる。曲げ加工工程は、図５（ａ）に示すように、尖頭部を有する上型ＵＥと、メタルラスＭＲとともに上型ＵＥを収容するＶ字状に形成された収容部を有する下型ＳＥとを備えた曲げ加工装置Ｍを主として用いて、メタルラスＭＲの周縁端部を折り曲げ加工する工程である。

すなわち、曲げ加工工程においては、まず、所定の大きさの角形に切断されたメタルラスＭＲを下型ＳＥ上に載置する。次に、上型ＵＥを下型ＳＥ上に載置されたメタルラスＭＲ方向に降下させ、上型ＵＥの尖頭部をメタルラスＭＲに当接させる。この状態から上型ＵＥをさらに降下させ、上型ＵＥの尖頭部をメタルラスＭＲとともに下型ＳＥの収容部に進入させる。このように、上型ＵＥの尖頭部をメタルラスＭＲの表面を押し付けることによってメタルラスＭＲが下型ＳＥの収容部方向に変形を開始するため、メタルラスＭＲの周縁端部は上型ＵＥの降下に伴って上型ＵＥ方向に鋭角的に曲げ加工される。そして、上型ＵＥを上昇させて退避させた後、鋭角状に曲げ加工された部分をさらにメタルラスＭＲの一般部方向に折り曲げることによって曲げ加工工程が終了する。なお、以下の説明においては、周縁端部が折り曲げ加工されたメタルラスＭＲを曲げ加工品という。

次に、曲げ加工品は、プレス工程に搬送される。プレス工程は、図５（ｂ）に示すように、平板状の上型ＵＨと下型ＳＨとを備えた一般的なプレス加工装置Ｐを用いて目止め部２２ａを成形する工程である。そして、プレス加工工程においては、曲げ加工品が下型ＳＨ上に載置されると、上型ＵＨが降下し、曲げ加工された部分を選択的にプレスして押し潰す。このとき、上型ＵＨは、メタルラスＭＲの一般部（中央部）の板厚よりも僅かに大きな板厚となるように、メタルラスＭＲの周縁端部をプレスする。これにより、プレスされた部分すなわちメタルラスＭＲの周縁端部におけるメタルラスＭＲの貫通孔が潰れた状態となり、目止め部２２ａの成形されたコレクタ２２が形成される。

そして、電極構造体２０は、２枚一対のコレクタ２２をＭＥＡ２１に当接させた状態で（以下、この状態を一次組み付け品という）、コレクタ２２の目止め部２２ａに樹脂シール部２３を成形することによって製造される。樹脂シール部２３は、燃料電池スタックの外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単セルＴまで導入する機能を有するとともに、後述するように積層されたセパレータ１０と電極構造体２０との間にて導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスをシールする機能を有する。

このため、樹脂シール部２３は、図１に示すように、燃料ガスを導入するための貫通孔２３ａと酸化剤ガスを導入するための貫通孔２３ｂとが形成される。なお、図示を省略するが、樹脂シール部２３には、導入されたガスを外部に排出するための貫通孔（排出口）が形成される場合がある。また、成形される樹脂シール部２３の板厚は、後述するように、電極構造体２０に対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの導入時におけるシール性を確保するとともに、ＭＥＡ２１にて発電された電気をコレクタ２２およびセパレータ１０を介して効率よく外部に出力するために、一次組み付け品の厚さ方向寸法と略同一に（より好ましくは僅かに小さく）設定されている。以下、この樹脂シール部２３の樹脂成形工程について説明する。

樹脂成形工程は、一次組み付け品の周縁端部、より詳しくは、各コレクタ２２の目止め部２２ａの近傍に対して、インサート成形により樹脂シール部２３を一体的に成形する。このため、樹脂成形工程は、図６に概略的に示すように、一次組み付け品を載置する下型ＳＩと、一次組み付け品の周縁端部を収容して溶融樹脂を射出する上型ＵＩとを備えたインサート成形金型を用いて樹脂シール部２３を成形する工程である。すなわち、樹脂成形工程においては、まず、一次組み付け品をインサート成形金型の下型ＳＩに載置する。次に、インサート成形金型の上型ＵＩを降下させ、同上型ＵＩに形成されたキャビティーの内面によって一次組み付け品の周縁端部を一般部の厚さ方向寸法よりも僅かに小さな板厚となるように変形させて型締めする。そして、上型ＵＩに設けられたランナーから所定の射出圧力で溶融樹脂を射出する。なお、射出する樹脂としては、外部から導入される燃料ガス（水素ガス）や酸化剤ガス（空気）をシール可能であり、かつ、電極反応によって発生する熱に耐える樹脂を採用するとよく、具体的には、熱硬化性樹脂（例えば、ガラスエポキシ樹脂など）やエラストマー系樹脂などを採用するとよい。

ここで、樹脂シール部２３の成形においては、ランナーから射出された溶融樹脂の一次組み付け品（より具体的には、各コレクタ２２）の中央部方向への流入が目止め部２２ａによって良好に防止される。すなわち、上述したように、プレス工程によってコレクタ２２の周縁端部における貫通孔が潰されるとともにインサート成形金型の上型によってさらに変形されることにより、コレクタ２２の目止め部２２ａにおける貫通孔は完全に潰された状態となる。したがって、溶融樹脂がキャビティー内に射出された場合であっても、樹脂が目止め部２２ａよりも内部方向に流入することを防止することができる。

以上のように、目止め部成形工程および樹脂成形工程を経て、一次組み付け品に対して樹脂シール部２３が一体的に成形されることにより、電極構造体２０が製造される。そして、製造された電極構造体２０は、図１に示したように、２枚一対のセパレータ１０間に配置され、例えば、セパレータ１０と樹脂シール部２３とを接着剤を用いて接着することによって、単セルＴが形成される。このとき、樹脂シール部２３の成形板厚は、電極構造体２０の厚さ方向寸法と略同一または僅かに小さく成形されている。このため、セパレータ１０を樹脂シール部２３に接着したときには、コレクタ２２がセパレータ１０によってＭＥＡ２１方向に押圧された状態となる。これにより、ＭＥＡ２１とコレクタ２２との接触状態およびコレクタ２２とセパレータ１０との接触状態が良好に確保される。

そして、形成された単セルＴ間に冷却水路３０を配置して、より詳しくは、各単セルＴ間で互いに対向するセパレータ１０の段部１１によって形成される空間部分に冷却水路３０を配置して、所定枚数の単セルＴを積層することにより、燃料電池スタックが構成される。ここで、冷却水路３０は、図１に示すように、多数の凹凸溝が形成されており、図示しない導入口を介して導入された冷却水が凹凸溝を流れ、図示しない導出口を介して冷却水が外部に導出される。

このように、セパレータ１０間に冷却水路３０を配置することにより、電極構造体２０のＭＥＡ２１における電極反応によって発生した反応熱を効率よく冷却することができる。すなわち、ＭＥＡ２１における電極反応によって発生した反応熱は、コレクタ２２を介してセパレータ１０に伝わる。一方、セパレータ１０は、冷却水路３０を流通する冷却水と接触しているため、コレクタ２２を介して伝熱された反応熱を冷却水に対して放熱することができる。したがって、電極反応によって発生した反応熱は効果的に放熱され、電極構造体２０を効率よく冷却することができる。

そして、形成された燃料電池スタックにおいては、図１に示すように、外部から供給された燃料ガスが樹脂シール部２３に形成された貫通孔２３ａを介して各単セルＴまで供給され、酸化剤ガスが貫通孔２３ｂを介して各単セルＴまで供給される。そして、貫通孔２３ａに連通した側のセパレータ１０の段部１１を介して燃料ガスが電極構造体２０のアノード電極層ＡＥ側に導入され、貫通孔２３ｂに連通した側のセパレータ１０の段部１１を介して酸化剤ガスが電極構造体２０のカソード電極層ＣＥ側に導入される。

このように、燃料ガスおよび酸化剤ガスが導入されると、導入されたガスは、それぞれ、コレクタ２２に形成された多数の網目状の貫通孔を流通する。これにより、導入されたそれぞれのガスは、適切に拡散されてアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥに供給される。このとき、コレクタ２２の目止め部２２ａによって樹脂シール部２３の成形時における樹脂の流入が防止されているため、各コレクタ２２の中央部すなわち導入されたガスが流通する空間には、良好に確保されている。この結果、アノード電極層ＡＥに対して十分な燃料ガスを供給することができるとともに、カソード電極層ＣＥに対して十分な酸化剤ガスを供給することができる。したがって、燃料電池の優れた発電性能を確保することができる。

さらに、ＭＥＡ２１とコレクタ２２との接触状態およびコレクタ２２とセパレータ１０との接触状態が良好に確保されるため、ＭＥＡ２１における電極反応によって発電された電気を効率よく外部に出力することができる。すなわち、コレクタ２２がＭＥＡ２１とセパレータ１０に対して良好に接触することによって、これら各部材間の接触面積を大きくすることができる。したがって、ＭＥＡ２１で発電された電気を集電する際の抵抗（集電抵抗）を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よくすなわち集電効率を向上させて集電することができる。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、多数の網目状の貫通孔を有するメタルラスＭＲから形成されるコレクタ２２の周縁端部に、縮径部としての目止め部２２ａを形成することができる。そして、この目止め部２２ａを包含してインサート成形することにより、樹脂シール部２３を一体的に成形することができる。このように、コレクタ２２に目止め部２２ａを成形することによって、インサート成形時における溶融樹脂のコレクタ２２の中央部方向への流れを物理的に防止することができ、その結果、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥに供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路を適切にかつ確実に確保することができる。したがって、燃料電池を運転した際における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量不足に伴う発電性能の低下を確実に回避することができる。

また、目止め部２２ａは、コレクタ２２の周縁端部を折り曲げてプレスすることによって成形することができる。したがって、特殊な加工を施すことなく、コレクタ２２の周縁端部に目止め部２２ａを成形することができ、生産性を大幅に向上させることができる。

また、樹脂シール部２３の板厚をコレクタ２２の板厚と略同一または僅かに小さくすることより、ＭＥＡ２１とコレクタ２２との接触状態およびコレクタ２２とセパレータ１０との接触状態を良好に確保することができる。このため、コレクタ２２がＭＥＡ２１における電極反応によって発電された電気を集電する際の接触抵抗およびコレクタ２２が集電した電気をセパレータ１０に導電する際の接触抵抗を小さくすることができ、その結果、燃料電池からの出力を良好に維持することができる。

上記実施形態においては、目止め部成形工程において、曲げ加工工程を設けてメタルラスＭＲの周縁端部に曲げ加工を施し、その後、プレス工程にてプレス加工を施すことにより目止め部２２ａを成形するように実施した。これに対して、目止め部成形工程における曲げ加工工程を廃止して、目止め部２２ａを成形することも可能である。すなわち、図７に概略的に示すように、目止め部２２ａの成形寸法に合わせた短冊状のメタルラス（以下、このメタルラスを目止め用メタルラスＭＭという）を用意しておき、この目止め用メタルラスＭＭをメタルラスＭＲの周縁端部に重ねて配置する。そして、この重ねて配置した目止め用メタルラスＭＭおよびメタルラスＭＲに対して、上述したプレス工程におけるプレス加工を施すことによって、上記実施形態と同様の目止め部２２ａを成形することができる。したがって、この場合においても、上記実施形態と同様の効果が期待できるとともに、コレクタ２２の生産性を向上させることができる。

上記実施形態においては、目止め部成形工程にて、メタルラスＭＲの周縁端部を曲げ加工した後プレス加工して目止め部２２ａを成形するように実施した。しかしながら、例えば、樹脂シール部２３を形成する樹脂の種類によっては高い射出圧力によって、キャビティー内に溶融樹脂を射出する場合がある。この場合、上述した実施形態のように、単にプレス加工によってメタルラスＭＲの貫通孔を潰すのみでは、高い射出圧力によって溶融樹脂が目止め部２２ａを通過してコレクタ２２の中央部方向に流入する可能性がある。このため、より確実に溶融樹脂の流入を防止する目止め部２２ａの形成が望ましい。以下、溶融樹脂の流入をより効果的に防止できる目止め部２２ａを形成する第１変形例を説明する。なお、この第１変形例を説明するにあたり、上記実施形態と同一部分に同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

この第１変形例においても、コレクタ２２は、メタルラスＭＲから形成される。そして、この第１変形例における目止め部２２ａは、図８に示すように、ノッチ成形部分２２ａ１と潰し部分２２ａ２とから構成される。ノッチ成形部分２２ａ１は、メタルラスＭＲの周縁端部近傍にて、断面略Ｕ字状とされた線状の複数のノッチが千鳥状に配置されて成形されている。潰し部分２２ａ２は、ノッチ成形部分２２ａ１よりも外方すなわちメタルラスＭＲの周縁端部にて、メタルラスＭＲの網目状の貫通孔を潰すことによって成形される。

そして、これらノッチ成形部分２２ａ１および潰し部分２２ａ２は、第１変形例に係る目止め部成形工程を経ることによって、同時に成形される。すなわち、この第１変形例に係る目止め部成形工程は、図９にて概略的に示すように、メタルラスＭＲの上面側にノッチ成形部分２２ａ１を成形するための突起部および潰し部分２２ａ２を成形するための膨出部を有する上型ＵＥ１と、メタルラスＭＲの下面側にノッチ成形部分２２ａ１を成形するための突起部を有する下型ＳＥ１とを備えたプレス加工装置を用いて、ノッチ成形部分２２ａ１と潰し部分２２ａ２とを同時に成形する工程である。

具体的に説明すると、まず、所定の大きさの角形に切断されたメタルラスＭＲを下型ＳＥ１上に供給する。次に、上型ＵＥ１を下型ＳＥ１上に載置されたメタルラスＭＲ方向に降下させ、上型ＵＥ１の膨出部をメタルラスＭＲに当接させる。この状態から上型ＵＥ１をさらに降下させることにより、メタルラスＭＲの周縁端部は上型ＵＥ１の膨出部によってプレスされ、同周縁端部における貫通孔が潰れ始める。一方、上型ＵＥ１の膨出部がメタルラスＭＲの周縁端部をプレスすると、上型ＵＥ１の突起部がメタルラスＭＲの上面側をプレスし始めるとともに、下型ＳＥ１の突起部がメタルラスＭＲの下面側をプレスし始める。そして、上型ＵＥ１が下型ＳＥ１に対して所定位置まで降下すると、メタルラスＭＲに対して、ノッチ成形部分２２ａ１と潰し部分２２ａ２とが同時に成形されて、最終的に、目止め部２２ａの成形されたコレクタ２２が形成される。

このように、目止め部２２ａの成形されたコレクタ２２は、上記実施形態と同様に、ＭＥＡ２１とともに一次組み付け品を構成し、この一次組み付け品におけるコレクタ２２の目止め部２２ａに樹脂シール部２３が一体的に成形されることによって、電極構造体２０が製造される。ここで、この第１変形例における樹脂成形工程においては、以下に説明するように、上記実施形態における樹脂成形工程と若干異なる。

すなわち、この第１変形例における樹脂成形工程では、図１０に概略的に示すように、それぞれ、コレクタ２２の目止め部２２ａに成形されたノッチ成形部分２２ａ１のノッチ形状に対応する突起部が形成されたインサート成形金型を構成する下型ＳＩ１と上型ＵＩ１とを用いる。これにより、一次組み付け品を下型ＳＩ１に載置する際には、コレクタ２２に成形されたノッチ成形部分２２ａ１に対して、下型ＳＩ１に形成された突起部を挿入した状態で載置する。また、上型ＵＩ１が降下したときには、コレクタ２２に成形されたノッチ成形部分２２ａ１に対して上型ＵＩ１に形成された突起部が挿入した状態となり、この状態で型締めする。そして、上型ＵＩ１に設けられたランナーから所定の射出圧力で溶融樹脂を射出する。

ここで、第１変形例における樹脂シール部２３の成形においては、上記実施形態の場合に比して、ランナーから射出された溶融樹脂の各コレクタ２２の中央部方向への流入をより良好に防止することができる。すなわち、この第１変形例においては、上述したように、目止め部２２ａがノッチ成形部分２２ａ１と潰し部分２２ａ２とから構成される。このため、上型ＵＩ１のランナーから射出された溶融樹脂は、上記実施形態と同様に、成形された潰し部分２２ａ２によってコレクタ２２の中央部方向への流入が防止されることに加えて、ノッチ成形部分２２ａ１の千鳥配置に成形されたノッチによっても溶融樹脂の流入が防止される。より具体的には、ノッチ成形部分２２ａ１のノッチに対して、上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成された突起部が挿入した状態で溶融樹脂が射出される。このため、例えば、射出圧力を高めて溶融樹脂を射出した場合であっても、上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成された突起部によって溶融樹脂が塞き止められ、その結果、コレクタ２２の中央部方向への溶融樹脂の流入をより確実に防止することができる。

なお、この第１変形例においては、ノッチ成形部分２２ａ１としてメタルラスＭＲの上下面に形成されたノッチのうち、一面側に形成されたノッチに上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成された突起部を挿入してインサート成形するように実施した。この場合、他面側に形成されたノッチにおいては、潰し部分２２ａ２を通過した溶融樹脂の一部が滞留した状態で固化する。これにより、例えば、燃料電池スタックを形成した状態で外部から単セルＴ内にガスが導入されたときには、ノッチ内で固化した樹脂がコレクタ２２を導通するガスの横流れを効果的に防止することができる。したがって、この第１変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記第１変形例においては、ノッチ成形部分２２ａ１を形成するノッチの断面形状を略Ｕ字状として実施した。しかしながら、例えば、図１１にて概略的に示すように、ノッチの断面形状を略Ｖ字状として実施可能であることはいうまでもない。このように、断面略Ｖ字状のノッチによってノッチ成形部分２２ａ１を形成した場合であっても、上記第１変形例と同様の効果が期待できる。

また、上記第１変形例においては、目止め部成形工程においてノッチ成形部分２２ａ１および潰し部分２２ａ２を成形しておき、樹脂成形工程において上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成した突起部をノッチ内に挿入して樹脂シール部２３を成形するように実施した。ところで、上述したように、ノッチ成形部分２２ａ１は、溶融樹脂の流れを塞き止めることができるため、潰し部分２２ａ２を省略して実施することも可能である。そして、この場合においては、目止め部成形工程を省略し、樹脂成形工程においてノッチ成形部分２２ａ１の成形と樹脂シール部２３のインサート成形とを同時に行うことができる。なお、この場合には、ノッチ成形部分２２ａ１の成形間隔を縮めるとよい。

すなわち、樹脂成形工程において、所定の大きさの角形に切断されたメタルラスＭＲを積層した一次組み付け品を下型ＳＩ１上に載置した後、上型ＵＩ１を降下させて型締めする。これにより、上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成された突起部が同突起部に対応するメタルラスＭＲの上下面を押し潰すことにより、上記第１変形例におけるノッチ成形部分２２ａ１に相当するノッチが形成される。そして、この状態において溶融樹脂を射出することによって、樹脂シール部２３が一体的に成形される。したがって、この場合においては、上記第１変形例と同等の効果が期待できるとともに、目止め部成形工程を省略することができるため、生産性を大幅に向上させることができる。また、コレクタ２２にノッチ成形部分２２ａ１に相当するノッチのみが形成されることから大きな変形を伴わない。このため、ノッチの成形に伴うコレクタ２２の板厚変化を抑制することができ、ガス流路を良好に確保することができる。

また、上記第１変形例においては、ＭＥＡ２１および２枚一対のコレクタ２２によって構成される一次組み付け品に対して、樹脂シール部２３をインサート成形するように実施した。これに対して、各コレクタ２２を上型ＵＩ１および下型ＳＩ１によって形成されるキャビティー内に収容しておき、このコレクタ２２に対して樹脂シール部２３をインサート成形して実施することも可能である。これにより、メタルラスＭＲの上下面に千鳥配置に形成されたノッチ成形部分２２ａ１のノッチに対して、上型ＵＩ１および下型ＳＩ１に形成した突起部を挿入することが可能となり、より確実に溶融樹脂の流れを塞き止めることができる。なお、この場合には、樹脂シール部２３の成形されたコレクタ２２によってＭＥＡ２１を挟持して単セルＴを形成するとよい。

さらに、上記第１変形例においては、千鳥配置のノッチを成形することによりノッチ成形部分２２ａ１を形成するように実施した。これに対して、例えば、所定の大きさとされたメタルラスＭＲの一辺に沿って連続的に伸びる線状のノッチを成形して実施することも可能である。この場合においても、線状に成形されたノッチが溶融樹脂の流れを塞き止めることができるため、上記第１変形例と同様の効果が期待できる。

上記実施形態においては、メタルラスＭＲの周縁端部における貫通孔を潰して目止め部２２ａを成形したコレクタ２２を用いて実施した。これにより、樹脂シール部２３をインサート成形する際に、溶融樹脂がコレクタ２２の中央部方向に流入することを防止するようにした。これに代えて、または、加えて、所定の大きさの角形に切断したメタルラスＭＲの周縁端部に溶融樹脂の流入を防止するためのカバーを設けて実施することも可能である。以下、この第２変形例を詳細に説明するが、上記実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２変形例においても、コレクタ２２は、メタルラスＭＲから形成される。そして、この第２変形例においては、図１２に示すように、メタルラスＭＲの周縁端部にカバー２４を装着することによって、コレクタ２２を形成する。カバー２４は、金属薄板（例えば、ステンレス薄板など）から成形されて、断面略コの字状に成形されている。

そして、カバー２４は、上記実施形態における目止め部成形工程に対応するカバー組み付け工程を経ることによってメタルラスＭＲに一体的に組み付けられる。すなわち、カバー２４は、メタルラスＭＲの周縁端部に装着された状態で、周知のかしめ加工を用いることにより、図１３に示すように、メタルラスＭＲに対して一体的に組み付けられる。このとき、カバー２４がメタルラスＭＲにかしめられるのに伴って、メタルラスＭＲの周縁端部における貫通孔は潰される。

このように、周縁端部にカバー２４が一体的に組み付けられて構成されたコレクタ２２はＭＥＡ２１とともに一次組み付け品を構成し、この一次組み付け品におけるコレクタ２２に組み付けられたカバー２４の近傍に樹脂シール部２３が一体的に成形されることによって、電極構造体２０が製造される。すなわち、この第２変形例においても、上記実施形態と同様の樹脂成形工程を経ることによって、樹脂シール部２３がコレクタ２２の周縁端部にインサート成形される。

ここで、第２変形例における樹脂シール部２３の成形においては、メタルラスＭＲにカバー２４を一体的に組み付けることによって、ランナーから射出された溶融樹脂の各コレクタ２２の中央部方向への流入を完全に防止することができる。また、かしめ加工により、コレクタ２２の周縁端部近傍の貫通孔が潰されることによって、燃料ガスおよび酸化剤ガスの横流れも防止できる。したがって、この第２変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態および各変形例においては、メタルラスＭＲに形成される貫通孔を略六角形状に形成して実施した。これに対して、このメタルラスＭＲの貫通孔の形状に関しては、外部から導入されたガスを適切に導通させるとともに拡散させる形状であればよく、例えば菱形など、種々の形状を採用することができる。

また、上記実施形態および各変形例においては、単セルＴ間、より具体的には、単セルＴを形成するセパレータ１０間に冷却水路３０を挟持して、燃料電池スタックを形成するように実施した。この場合、例えば、予め２枚のセパレータ１０に対して冷却水路３０を一体的に組み付けておき、または、１枚のセパレータ１０に対して冷却水路３０を一体的に組み付けておき、冷却水路３０が組み付けられたセパレータ１０を用いて単セルＴを形成し、最終的な燃料電池スタックを形成するように実施することも可能である。この場合、セパレータ１０と冷却水路３０とは、例えば、ロー付け法や拡散接合法などを用いて、金属的に接合されるとよい。

さらに、上記実施形態および各変形例においては、コレクタ２２を貫通孔が網目状に形成されたメタルラスＭＲを用いて形成するように実施した。しかし、燃料電池スタックの外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを適切に拡散してＭＥＡ２１に供給可能であれば、他の多孔質材料（例えば、多数の微細な貫通孔を有する発泡金属など）を採用して実施可能であることはいうまでもない。この場合においても、上述したように、目止め部を成形することによって、樹脂シール部を一体的に成形したときに溶融樹脂が多孔質材料の内部に流入することを防止することができる。

本発明の実施形態に係るコレクタを用いて構成した燃料電池スタックの一部示す概略図である。 図１のセパレータを示した概略的な斜視図である。 図１の電極構造体の構成を説明するための断面図である。 （ａ），（ｂ）は、コレクタを形成するメタルラスを説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、実施形態に係るコレクタの目止め部を成形する目止め部成形工程を概略的に示しており、（ａ）は、コレクタの周縁端部を折り曲げる曲げ加工工程を概略的に示し、（ｂ）は、折り曲げた部分をプレスするプレス加工工程を概略的に示した図である。 樹脂シール部をインサート成形する樹脂成形工程を概略的に示した図である。 実施形態の変形例を説明するための図である。 本発明の第１変形例に係るコレクタを説明するための概略図である。 第１変形例に係る目止め部成形工程を説明するための概略図である。 第１変形例に係る樹脂成形工程を説明するための概略図である。 第１変形例のさらなる変形例を説明するための概略図である。 本発明の第２変形例に係り、コレクタに組み付けられるカバーを説明するための概略図である。 図１２のカバーの組み付け状態を説明するための概略図である。

符号の説明

１０…燃料電池用セパレータ、２０…電極構造体、２１…ＭＥＡ、２２…コレクタ、２２ａ…目止め部、２２ａ１…ノッチ成形部分、２２ａ２…潰し部分、２３…樹脂シール部、２４…カバー、３０…冷却水路、ＭＲ…メタルラス、ＭＭ…目止め用メタルラス

Claims (9)

1. 外部から導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスの混流を防ぐ複数のセパレータと、同セパレータ間に配置されて、所定の電解質膜に一体的に形成されたアノード電極層およびカソード電極層からなる膜−電極接合体と同膜−電極接合体の前記アノード電極層および前記カソード電極層に対してそれぞれ積層されて前記セパレータを介して導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散して前記アノード電極層または前記カソード電極層に供給するとともに前記膜−電極接合体における電極反応により発電された電気を集電するコレクタとを備えた電極構造体と、から構成される固体高分子型燃料電池であって、
   前記コレクタは、
   多数の貫通孔を有する板状の多孔質材料から形成されていて、その周縁端部にて前記貫通孔の孔径を縮径して成形された縮径部を有しており、
   前記電極構造体が、
   前記コレクタの周縁端部における前記縮径部を包含して溶融樹脂を射出するインサート成形により形成されて前記導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスをシールするための樹脂シール部材を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記コレクタの周縁端部をプレス加工することにより成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
3. 請求項２に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記コレクタの周縁端部を折り曲げて重ねた状態でプレス加工することにより成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
4. 請求項２に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記コレクタの周縁端部に対して、別途、短冊状に切断した板状の多孔質材料を重ねた状態でプレス加工することにより成形されることを特徴する固体高分子型燃料電池。
5. 請求項２に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記コレクタの周縁端部にて部分的にかつ線状にプレス加工することにより成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
6. 請求項５に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記コレクタの周縁端部にて千鳥配置にかつ線状にプレス加工することにより成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
7. 請求項１に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記コレクタが、
   さらに、前記インサート成形による溶融樹脂が前記コレクタの周縁端部から中央部方向に流入することを防止するカバーを有しており、
   前記コレクタの縮径部は、
   前記カバーを前記コレクタの周縁端部に組み付けるためのかしめ加工に伴って成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
8. 請求項１に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記インサート成形によって形成する樹脂シール部材の板厚が、
   前記コレクタの中央部における板厚と略同一であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
9. 請求項１に記載した固体高分子型燃料電池において、
   前記板状の多孔質材料は、
   多数の貫通孔が網目状にかつ階段状に成形されたメタルラスであることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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