JP5286702B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池における、ガスの漏出を防止するためのシール構造として、セパレータの凹部内に配置された固形ガスケットを、膜電極接合体に設けられた凸部により圧縮する構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、シール性や作業性等が優れることから、隙間を液剤のシール材により埋め、この液剤を硬化させることにより漏出を防ぐシール構造が、広く用いられている。
特開２００５−１９０５７

しかし、液剤は流動性を有するため偏りが生じ易く、途切れや意図せぬ場所へのはみ出しを生ずる虞がある。このため、品質を良好に保ち難く、信頼性が低くなるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高い信頼性を有する燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、ガス拡散層を囲むスペーサと、これらを挟む一対のセパレータと、スペーサとセパレータの間に形成され内部にシール材を配置するシール溝と、シール溝に連通した逃げ溝と、セパレータ又はスペーサの一方に形成され、シール溝内に突出する突起部とを備え、突起部によりシール溝を屈曲させて逃げ溝と連通するとともに、突起部の少なくとも一つの側面とシール溝の側面との間の隙間にシール材が充填された事を特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池製造方法は、膜電極接合体、膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層、ガス拡散層を囲むスペーサ、これらを挟む一対のセパレータ、スペーサとセパレータの間に形成され内部にシール材を配置するシール溝、シール溝に連通した逃げ溝、および、セパレータ又はスペーサの一方に形成されシール溝内に突出する突起部を備える燃料電池の製造方法であって、シール溝および突起部の少なくとも一方にシール材を配置するシール材配置工程と、シール材を、突起部およびシール溝により押圧するシール材押圧工程と、を有し、シール材押圧工程において突起部によりシール材を押圧することによってシール溝を屈曲させて逃げ溝と連通させるとともに、突起部の少なくとも一つの側面とシール溝の側面との間の隙間にシール材を充填する事を特徴とする。

上記構成を有する本発明の燃料電池は、シール溝および逃げ溝が、シール材の自由な移動を規制するため、シール材が略均一に分布する。このため、シール材の途切れが、抑制される。したがって、本発明の燃料電池は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する。

上記工程を有する本発明の燃料電池製造方法は、シール溝および逃げ溝により、シール材の自由な移動を規制しつつ、シール材を押し広げることができる。このため、本発明の燃料電池製造方法は、シール材を略均一に分布させ、シール材の途切れを抑制することができる。したがって、本発明の燃料電池製造方法は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する燃料電池を製造することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明に係る燃料電池を説明するための斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、第１実施形態に係る燃料電池の部分拡大断面図、図３は第１実施形態に係る燃料電池のセパレータを説明するための平面図、図４は逃げ溝およびシール溝を説明するための斜視図、図５は図３に示すセパレータに対向する、ガス拡散層およびスペーサを説明するための平面図、図６は比較例に係る燃料電池を説明するための部分拡大断面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、単位電池としての単セル１００が複数積層したスタック部２０を有する。スタック部２０には、出力端子３５，４５を備えた一対の集電板３０，４０が、電気的に接続している。燃料電池１０は、スタック部２０を集電板３０，４０により挟み、これらを絶縁性の絶縁板５０，６０を介して一対のエンドプレート７０，８０により挟持した構造を有する。

互いに積層している、スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０、および、エンドプレート７０，８０は、それぞれの四隅に、貫通孔を有する。この貫通孔には、締結用のタイロッド９０が、通っている。タイロッド９０は、その端部に、雄ねじ部（不図示）を有する。雄ねじ部には、ナット（不図示）が螺合している。このナットが締め付けられることにより、エンドプレート７０，８０は、スタック部２０、集電板３０，４０、および絶縁板５０，６０を挟持している。エンドプレート７０，８０から加えられる荷重は、単セル１００の積層方向に作用する。このため、エンドプレート７０，８０は、絶縁板５０，６０、集電板３０，４０、および、単セル１００を押圧状態に保持している。

タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、絶縁板５０，６０、集電板３０，４０、および、単セル１００を押圧状態に保持する他の手段を適用することも可能である。

スタック部２０に電気的に接続する集電板３０，４０を形成する材料は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材である。

絶縁板５０，６０は、絶縁性材料から形成される。絶縁性材料は、例えばゴムや樹脂である。

エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた金属材料から形成される。金属材料は、例えば、鋼である。一方のエンドプレート７０は、燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口７１、および燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口７２を有する。エンドプレート７０は、酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入口７５、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口７４を有する。また、エンドプレート７０は、冷媒を導入するための冷媒導入口７７、および冷媒を排出するための冷媒排出口７８を有する。

燃料電池１０に使用される燃料ガスは、例えば水素である。燃料電池１０に使用される酸化剤ガスは、例えば酸素である。燃料電池１０を冷却する冷却媒体は、例えば水である。

タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により形成する。また、タイロッド９０は、単セル１００同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理した表面を有する。

図２に示すように、単セル１００は、膜状の膜電極接合体１２０、膜電極接合体１２０の両面に配置されたガス拡散層１３０，１４０、およびガス拡散層１３０，１４０を囲むスペーサ１７０，１８０を、一対のセパレータ１５０，１６０により挟んだ構造を有する。

膜電極接合体１２０では、発電反応が進行する。膜電極接合体１２０は、プロトン伝導性の固体高分子膜の両面に、電極触媒を含むカソード触媒層（不図示）およびアノード触媒層（不図示）を形成した構造を有する。固体高分子膜は、プロトン伝導性のイオン交換膜である。プロトン伝導性のイオン交換膜は、例えばフッ素系樹脂である。カソード触媒層は、酸素の還元反応に触媒作用を有し、アノード触媒層は、水素の酸化反応に触媒作用を有する。

膜電極接合体１２０の両面に位置するガス拡散層１３０，１４０は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材により形成される。例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトである。以下、膜電極接合体１２０のカソード触媒層側に位置するガス拡散層を、第１ガス拡散層１３０と呼ぶ。膜電極接合体１２０のアノード触媒層側に位置するガス拡散層を、第２ガス拡散層１４０と呼ぶ。

第１ガス拡散層１３０および第２ガス拡散層１４０のそれぞれを囲むスペーサは、接着層（不図示）を介して固体高分子膜１２０に固定されている。スペーサ１７０，１８０を形成する材料は、ガス（特に酸素や水素）および冷媒（特に水）に対して、不透過性および耐性を有していれば良く、特に制限されない。以下、第１ガス拡散層１３０を囲むスペーサ１７０を第１スペーサ１７０と呼び、第２ガス拡散層１４０を囲むスペーサ１８０を第２スペーサ１８０と呼ぶ。

膜電極接合体１２０、ガス拡散層１３０，１４０、およびスペーサ１７０，１８０を挟む一対のセパレータ１５０，１６０は、適当な導電性、強度、および耐食性を有する。各セパレータ１５０，１６０を構成する材料は特に制限せず、従来公知の知見が適宜参照できる。例えば、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン材料や、ステンレス等の金属材料などが挙げられる。セパレータ１５０，１６０のサイズや流路の形状などは特に限定せず、燃料電池１０の出力特性などを考慮して適宜決定することができる。

セパレータ１５０，１６０は、板状であり、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路１５６，１６６、および冷媒を流すための冷媒流路１５３，１６３を、両面に複数備える。ガス流路１５６，１６６および冷媒流路１５３，１６３は、各流路の延在方向に垂直な平面における断面形状が、矩形形状である。

第１ガス拡散層１３０に対面するセパレータ１５０は、酸化剤ガスが、第１ガス拡散層１３０に対面するガス流路１５６に流れる。以下、第１ガス拡散層１３０に対面するこのガス流路１５６を、酸化剤ガス流路１５６と呼び、第１ガス拡散層１３０に対面するセパレータ１５０の面を、酸化剤ガス流路面１５１と呼び、第１ガス拡散層１３０に対面するセパレータ１５０を、第１セパレータ１５０と呼ぶ。また、酸化剤ガス流路面１５１の背面に位置し、冷媒が流れる冷媒流路１５３を、第１冷媒流路１５３と呼び、この第１冷媒流路１５３が形成された面を、第１冷媒流路面１５２と呼ぶ。

一方、第２ガス拡散層１４０に対面するセパレータ１６０は、燃料ガスが、第２ガス拡散層１４０に対面するガス流路１６６に流れる。以下、第２ガス拡散層１４０に対面するこのガス流路１６６を、燃料ガス流路１６６と呼び、第２ガス拡散層１４０に対面するセパレータ１６０の面を、燃料ガス流路面１６１と呼び、第２ガス拡散層１４０に対面するセパレータ１６０を、第２セパレータ１６０と呼ぶ。また、燃料ガス流路面１６１の背面に位置し、冷媒が流れる冷媒流路１６３を、第２冷媒流路１６３と呼び、この第２冷媒流路１６３が形成された面を、第２冷媒流路面１６２と呼ぶ。

第１セパレータ１５０は、シール材１９０が配置された第１シール溝１５４を有する。第１シール溝１５４は、酸化剤ガス流路面１５１の周縁に位置し、酸化剤ガス流路１５６を囲む。また、第１セパレータ１５０は、第１シール溝１５４に連通する第１逃げ溝１５５を、酸化剤ガス流路面１５１の周縁に備える。

第１セパレータ１５０に対面する第１スペーサ１７０は、第１シール溝１５４に対向する突部１７１を有する。突部１７１は、酸化剤ガス流路面１５１の周縁に接触する平面１７２に位置する。以下、この突部１７１を、第１突部１７１と呼ぶ。

第１シール溝１５４に配置されたシール材１９０は、第１突部１７１に密着しており、このシール材１９０の一部は、第１シール溝１５４に連通する第１逃げ溝１５５に、はみ出している。

第１セパレータ１５０と対をなす第２セパレータ１６０は、シール材１９１が配置された第２シール溝１６４を有する。第２シール溝１６４は、燃料ガス流路面１６１の周縁に位置し、燃料ガス流路１６６を囲む。また、第２セパレータ１６０は、第２シール溝１６４に連通する第２逃げ溝１６５を、燃料ガス流路面１６１の周縁に備える。

第２セパレータ１６０に対面する第２スペーサ１８０は、第２シール溝１６４に対向する突部１８１を有する。突部１８１は、燃料ガス流路面１６１の周縁に接触する平面１８２に位置する。以下、この突部１８１を、第２突部１８１と呼ぶ。

第２シール溝１６４に配置されたシール材１９１は、第２突部１８１に密着しており、このシール材１９１の一部は、第２シール溝１６４に連通する第２逃げ溝１６５に、はみ出している。

燃料電池１０のスタック部２０において、互いに隣接する単セル１００は、第１セパレータ１５０の第１冷媒流路面１５２および第２セパレータ１６０の第２冷媒流路面１６２で接している。

第１セパレータ１５０は、シール材１９２が配置された第３シール溝１５７を有する。第３シール溝１５７は、第１冷媒流路面１５２の周縁に位置し、第１冷媒流路１５３を囲む。また、第１セパレータ１５０は、第３シール溝１５７に連通する第３逃げ溝１５８を、第１冷媒流路面１５２に備える。

一方、第２セパレータ１６０は、第３シール溝１５７に対向する突部１６７を有する。
突部１６７は、第２冷媒流路面１６２の周縁に位置し、第２冷媒流路１６３を囲む。以下、この突部１６７を、第３突部１６７と呼ぶ。

第３シール溝１５７に配置されたシール材１９２は、第３突部１６７に密着しており、このシール材１９２の一部は、第３シール溝１５７に連通する第２逃げ溝１５８に、はみ出している。

突部とシール溝との間に介在する各シール材１９０，１９１，１９２は、ガス（特に酸素や水素）および冷媒（特に水）に対して、不透過性および耐性を有していればよく、特に制限されない。シール材１９０，１９１，１９２は、例えば熱硬化型のエポキシ樹脂である。

次に、図３に示す第２セパレータ１６０の燃料ガス流路面１６１を例に、セパレータの平面内の構造について説明する。燃料ガスが流れる燃料ガス流路１６６は、燃料ガス流路面１６１のほぼ中央において、対面する第２ガス拡散層１４０全体を覆うように延在する。図３において、燃料ガス流路１６６は、斜線により示される。燃料ガス流路１６６の一端は、燃料ガスが流入する燃料ガス供給用マニフォルド孔１６８Ａにつながっている。燃料ガス供給用マニフォルド孔１６８Ａは、エンドプレート７０の燃料ガス導入口７１に連通している。一方、燃料ガス流路１６６の他端は、燃料ガスが流出する燃料ガス排出用マニフォルド孔１６８Ｂにつながっている。燃料ガス排出用マニフォルド孔１６８Ｂは、エンドプレート７０の燃料ガス排出口７２に連通している。

第２セパレータ１６０は、さらに、酸化剤ガス導入口７５に連通する酸化剤ガス供給用マニフォルド孔１６８Ｃ、および、酸化剤ガス排出口７４に連通する酸化剤ガス排出用マニフォルド孔１６８Ｄを有する。また、第２セパレータ１６０は、冷媒導入口７７に連通する冷媒供給用マニフォルド孔１６８Ｅ、および、冷媒排出口７８に連通する冷媒排出用マニフォルド孔１６８Ｆを有する。

第２シール溝１６４は、互いに連通する、燃料ガス供給用マニフォルド孔１６８Ａ、燃料ガス流路１６６、および燃料ガス排出用マニフォルド孔１６８Ｂの周囲を囲んでいる。また、第２シール溝１６４は、他のマニフォルド孔のそれぞれの周囲も囲んでいる。この構造により、燃料ガスが、燃料ガス流路面１６１内を流通し、酸化剤ガスおよび冷媒は、燃料ガス流路面１６１内を流通しない。

図４に示すように、第２シール溝１６４には、複数の第２逃げ溝１６５が連通している。複数の第２逃げ溝１６５は、第２シール溝１６４から燃料ガス流路面１６１の端に向かって延在する。第２逃げ溝１６５のピッチ、幅、本数、位置、および深さ等は、シール材１９１の塗布量や第２シール溝１６４の体積等から、シール材１９１のはみ出す量を考慮し、適宜設計される。逃げ溝１６５の幅は、隣り合う逃げ溝１６５同士の間隔よりも大きく、逃げ溝１６５のピッチは、第２シール溝１６４の深さの１０倍以下であることが好ましい。第２シール溝１６４は、側面１６４Ａ，１６４Ｂが、曲率を有する。同様に、第２逃げ溝１６５も、側面１６５Ａ，１６５Ｂが、曲率を有する。

図５は、図３に示す燃料ガス流路面１６１に対面する、第２ガス拡散層１４０および第２スペーサ１８０である。第２スペーサ１８０は、第２ガス拡散層１４０を、額縁状に囲む。第２スペーサ１８０は、第２セパレータ１６０の各マニフォルド孔に対向する位置に、第２スペーサ部マニフォルド孔１８３を有する。また、第２スペーサ１８０は、第２セパレータ１６０の第２シール溝１６４に対向する位置に、第２突部１８１を有する。

第２セパレータ１６０と対をなす第１セパレータ１５０も、第２セパレータ１６０と同種のマニフォルド孔（不図示）を有する。第１セパレータ１５０においては、図２に示した第１シール溝１５４が、互いに連通する、酸化剤ガス供給用のマニフォルド孔、酸化剤ガス流路１５６、および酸化剤ガス排出用のマニフォルド孔を囲んでいる。また、第１シール溝１５４は、他のマニフォルド孔のそれぞれの周囲も囲んでいる。この構造により、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路面１５１内を流通し、燃料ガスおよび冷媒は、酸化剤ガス流路面１５１内を流通しない。

第１シール溝１５４に連通する複数の第１逃げ溝１５５は、ピッチ、幅、本数、位置、および深さ等が、第２逃げ溝１６５と同様に、適宜設計される。第１シール溝１５４および第１逃げ溝１５５は、図４に示したように、側面１５４Ａ，１５４Ｂ，１５５Ａ，１５５Ｂが、曲率を有する。

第１セパレータ１５０と対面する第１スペーサ１７０は、第１ガス拡散層１３０を額縁状に囲み、第１セパレータ１５０の各マニフォルド孔に対向する位置に、マニフォルド孔（不図示）を有する。

単セル１００同士の接触面においては、図２に示した、第３突部１６７および第３シール溝１５７が、互いに連通する、冷媒供給用のマニフォルド孔（不図示）、冷媒流路１５３，１６３、および冷媒排出用のマニフォルド孔（不図示）を囲んでいる。また、第３突部１６７および第３シール溝１５７は、ガス供給用のマニフォルド孔およびガス排出用マニフォルド孔のそれぞれの周囲も囲んでいる。この構造により、冷媒が冷媒流路面１５２，１６２内を流通し、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、冷媒流路面１５２，１６２内を流通しない。第３シール溝１５７に連通する複数の第３逃げ溝１５８は、ピッチ、幅、本数、位置、および深さ等が、第２逃げ溝１６５と同様、適宜設計される。第３シール溝１５７および第３逃げ溝１５８は、図４に示したように、側面１５７Ａ，１５７Ｂ，１５８Ａ，１５８Ｂが、曲率を有する。

次に、比較例について説明する。図６は、比較例に係る燃料電池における、単セル１００’の部分拡大断面図である。なお、図１〜４に示す部材と共通する部材には同一符号を付し説明は省略する。

比較例に係る燃料電池は、単セル１００’が、シール溝、逃げ溝、および突部を有さず、燃料ガス流路面１６１の周縁、酸化剤ガス流路面１５１の周縁、および冷媒流路面１５２，１６２の周縁が平面状である。また、各スペーサ１７０’，１８０’の厚さが、各スペーサ１７０’，１８０’が囲んでいるガス拡散層１３０，１４０の厚さよりも薄い。シール材１９０は、酸化剤ガス流路面１５１と第１スペーサ１７０’との間、および、燃料ガス流路面１６１と第２スペーサ１８０’との間に介在している。

比較例と対比することにより、第１実施形態に係る燃料電池１０の効果について、以下に説明する。

シール材１９０，１９１，１９２は、液剤であり、硬化前、流動性を有する。比較例のように、シール材１９０，１９１が、何ら規制のない平面と平面との間に介在している場合、シール材１９０，１９１は、表面張力により、シール材１９０，１９１が偏在する箇所や隙間の狭い箇所に移動する。このため、図６に示す、第１セパレータ１５０’と第１スペーサ１７０’との間のように、流路１５６やガス拡散層１３０へのはみ出しが、生じる虞がある。流路１５６，１６６やガス拡散層１３０，１４０へ、シール材１９０，１９１がはみ出すと、反応エリアが減少する。したがって、燃料電池は、単位体積あたりの発電効率が低下する。

または、表面張力により、図７に示すように、シール材１９１の途切れＬが、生じる虞がある。シール材１９０，１９１の途切れが生ずると、ガス漏れの危険性があるため、製品として使用することができない。したがって、歩留まりが低い。

また、シール材１９０，１９１の量が、シールする空間の体積よりも多いと、図６に示す第１セパレータ１５０’と第１ガス拡散層１３０との隙間のような、寸法誤差が生ずる虞がある。燃料電池は、複数の単セルを積層した構成を有するため、各単セルの寸法誤差が小さなものであっても、誤差が累積することにより、燃料電池全体では大きな寸法誤差となる。寸法誤差が大きくなると、燃料電池を所定の設置場所へ収めることができない等の問題が生ずる虞がある。

以上のように、比較例に係る燃料電池は、シール材１９０，１９１が、平面同士により形成される隙間に配置されているため、シール材１９０，１９１が自由に移動し、良好な品質を保つことが困難であるという問題がある。

一方、第１実施形態に係る燃料電池１０は、シール溝１５４，１５７，１６４および逃げ溝１５５，１５８，１６５が、シール材１９０，１９１，１９３の自由な移動を規制するため、シール材１９０，１９１，１９３が略均一に分布する。このため、シール材１９０，１９１，１９３の途切れが、抑制される。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する。

また、第１実施形態に係る燃料電池１０は、突部１６７，１７１，１８１を有するため、シール材１９０，１９１，１９３が密着する面積が広い。このため、シール材１９０，１９１，１９３の途切れが、より確実に抑制される。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する。

第１実施形態に係る燃料電池１０は、シール材１９０，１９１，１９３の途切れが抑制されているため、不良品の発生割合が低い。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、高い歩留まりを有する。

第１実施形態に係る燃料電池１０は、逃げ溝１５５，１５８，１６５が、シール溝１５４，１５７，１６４に連通しているため、余分なシール材が、逃げ溝１５５，１５８，１６５にはみ出す。したがって、シール材１９０，１９１，１９３が、意図せぬ場所へはみ出すのを防止するために、シール材１９０，１９１，１９３の塗布量を高い精度で調整する必要がなく、第１実施形態に係る燃料電池１０は、作業性に優れる。また、第１実施形態に係る燃料電池１０は、上述のように途切れの発生が抑制されるため、途切れを防止するための、シール材１９０，１９１，１９３の２度塗り作業を省くことができ、作業性に優れる。

第１実施形態に係る燃料電池１０は、ガス拡散層１３０，１４０に相対する流路１５６，１６６をセパレータ１５０，１６０の中央に有する。また、第１実施形態に係る燃料電池１０は、逃げ溝１５５，１６５が、セパレータ１５０，１６０の端に向かって延在している。このため、余分なシール材は、流路１５６，１６６やガス拡散層１３０，１４０の方向と反対の方向にはみ出す。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、より確実に、シール材１９０、１９１のはみ出しによる、反応エリアの減少を防止することができ、体積あたりの発電効率を良好に保つことができる。

第１実施形態に係る燃料電池１０は、逃げ溝１５５，１５８，１６５がシール溝１５４，１５７，１６４に連通しているため、余分なシール材は、逃げ溝１５５，１５８，１６５に、はみ出す。したがって、シール材１９０，１９１，１９２の偏在が抑制され、過剰なシール材１９０，１９１，１９２による寸法誤差が小さい。よって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、高い寸法精度を有する。

第１実施形態に係る燃料電池１０は、シール溝１５４，１５７，１６４および逃げ溝１５５，１５８，１６５の側面が曲率を有する。溝の側面が溝の底面に対して垂直であると、シール材と溝の角との間に気泡が形成され易い。溝内に気泡があると、温度上昇時、気泡の膨張によりシール材の途切れが発生する虞がある。第１実施形態に係る燃料電池１０は、前述のように、シール溝１５４，１５７，１６４および逃げ溝１５５，１５８，１６５の側面が曲率を有する。このため、気泡が抜け易く、気泡の形成を抑え、気泡の膨張による途切れの発生を抑制することができる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１０は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する。

次に、第１実施形態に係る燃料電池製造方法について説明する。図８は第１実施形態に係る燃料電池製造方法における、シール材配置工程を説明するための部分拡大断面図、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う部分拡大断面図、図１０は図９の後のシール材押圧工程を説明するための部分拡大断面図である。なお、図１〜７に示す部材と共通する部材には同一符号を付し説明は省略する。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール材１９０，１９１，１９２を、互いに対向するシール溝１５４，１５７，１６４および突部１６７，１７１，１８１のうちの少なくとも一方に配置するための、シール材配置工程を有する。また、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール材１９０を、突部１６７，１７１，１８１およびシール溝１５４，１５７，１６４により押圧するためのシール材押圧工程を有する。

シール材１９０を配置するためのシール材配置工程においては、図８に示すように、シール材１９０が、酸化剤ガス流路面１５１の周縁に形成された第１シール溝１５４に沿って塗布される。シール材１９０が、第１シール溝１５４に塗布された後、両面にガス拡散層１３０，１４０とスペーサ１７０，１８０とが取付けられた膜電極接合体１２０が、第１セパレータ１５０に積層される。このとき、第１スペーサ１７０の平面１７２に形成された、第１突部１７１は、シール材１９０が塗布された第１シール溝１５４に対向する。

シール材１９１を配置するためのシール材配置工程においては、シール材１９１が、第２スペーサ１８０の平面１８２に形成された第２突部１８１に沿って塗布される。第２突部１８１における、シール材１９１の塗布位置は、第２突部１８１の先端である。シール材１９１が、第２突部１８１に沿って塗布された後、第２セパレータ１６０が、両面にガス拡散層１３０，１４０とスペーサ１７０，１８０とが取付けられた膜電極接合体１２０に積層される。このとき、第２セパレータ１６０の燃料ガス流路面１６１の周縁に形成された、第２シール溝１６４は、シール材１９１が塗布された第２突部１８１に対向する。

シール材１９２を配置するためのシール材配置工程においては、シール材１９２が、第２冷媒流路面１６２の周縁に形成された第３突部１６７に沿って塗布される。第３突部１６７における、シール材１９２の塗布位置は、第３突部１６７の先端である。シール材１９２が、第３突部１６７に塗布された後、第１セパレータ１５０が、第２セパレータ１６０に積層される。このとき、第１セパレータ１５０の第１冷媒流路面１５２の周縁に形成された、第３シール溝１５７は、シール材１９２が塗布された第３突部１６７に対向する。

シール材１９０，１９１，１９２を押圧するためのシール材押圧工程においては、シール材配置工程で塗布されたシール材１９０，１９１，１９２が、シール溝１５４，１５７，１６４および突部１６７，１７１，１８１により押圧される。具体的には、積層方向から、力が付与され、シール材１９０，１９１，１９２が、互いに対向する突部１６７，１７１，１８１およびシール溝１５４，１５７，１６４により押圧される。押圧のための力は、押圧装置（不図示）が付与する。押圧装置の駆動源は、例えば油圧シリンダである。

押圧により、第１セパレータ１５０と第１スペーサ１７０とは、第１セパレータ１５０の酸化剤ガス流路面１５１の周縁、および第１スペーサ１７０の平面１７２において接触する。押圧により、第２セパレータ１６０と第２スペーサ１８０とは、第２セパレータ１６０の燃料ガス流路面１６１の周縁、および第２スペーサ１８０の平面１８２において接触する。また、第１セパレータ１５０と第２セパレータ１６０とは、押圧により、第１冷媒流路面１５２および第２冷媒流路面１６２において接触する。

第１突部１７１および第１シール溝１５４により押圧されたシール材１９０は、第１突部１７１と第１シール溝１５４との隙間に広がる。また、第１突部１７１と第１シール溝１５４との隙間に収まらない余分なシール材は、第１シール溝１５４に連通した第１逃げ溝１５５にはみ出る。

第２突部１８１および第２シール溝１６４により押圧されたシール材１９１は、第２突部１８１と第２シール溝１６４との隙間に広がる。また、第２突部１８１と第２シール溝１６４との隙間に収まらない余分なシール材は、第２シール溝１６４に連通した第２逃げ溝１６５にはみ出る。

第３突部１６７および第３シール溝１５７により押圧されたシール材１９２は、第３突部１６７と第３シール溝１５７との隙間に広がる。また、第３突部１６７と第３シール溝１５７との隙間に収まらない余分なシール材は、第３シール溝１５７に連通した第３逃げ溝１５８にはみ出る。

シール材配置工程において塗布されるシール材１９０，１９１，１９２は、液剤であるため、厚みがばらつく。このため、図９に例として示すように、シール材１９０の厚さが、シール溝１５４の深さより小さい箇所が形成される可能性がある。しかし、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、突部１７１によりシール材１９０を押圧するため、上記のような場合でも、図１０に示すように、シール材１９０を確実に押圧することができる。なお、シール材１９０，１９１，１９２の潰し代は、シール材１９０，１９１，１９２の厚さの３０％以上であることが好ましい。

シール材押圧工程の後、互いに積層され圧縮された、第１セパレータ１５０、両面にスペーサ１７０，１８０およびガス拡散層１３０，１４０が取付けられた膜電極接合体１２０、および第２セパレータ１６０は、シール材の硬化温度よりも高い温度に加熱される。この加熱により、シール材１９０，１９１，１９２が硬化し、スタック部２０が形成される。

スタック部２０の形成後、出力端子３５，４５を備える集電板３０，４０が、スタック部２０に電気的に接続される。この後、エンドプレート７０が、絶縁板５０，６０を介してスタック部２０および集電板３０，４０を挟持し、燃料電池１０が製造される。

以下、第１実施形態に係る燃料電池製造方法の効果について説明する。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール溝１５４，１５７，１６４および逃げ溝１５５，１５８，１６５により、塗布されたシール材１９０，１９１，１９２の自由な移動を規制しつつ、シール材１９０，１９１，１９２を押し広げることができる。このため、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール材１９０，１９１，１９２を略均一に分布させ、シール材１９０，１９１，１９２の途切れを抑制することができる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する燃料電池１０を製造することができる。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール材１９０，１９１，１９２の押圧に突部１６７，１７１，１８１を用いるため、より確実に、シール材１９０，１９１，１９２を押圧することができる。よって、より効果的に、シール材１９０，１９１，１９２の途切れ部分にシール材１９０，１９１，１９２を補填したり、気泡を押し出したりすることができ、シール材の途切れの発生を抑制することができる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、燃料電池１０の品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する燃料電池１０を製造することができる。

また、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、前述のようにシール材１９０，１９１，１９２の途切れを抑制し、不良品の製造を抑制することができるため、高い歩留まりを有する。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、余分なシール材が、シール溝１５４，１５７，１６４に連通した逃げ溝１５５，１５８，１６５に沿ってはみ出す。したがって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、シール材１９０，１９１，１９２の意図せぬ場所へのはみ出しを防止するために、塗布量を高い精度で調整する必要がなく、作業性が高い。また、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、上述のように途切れの発生が抑制されるため、途切れを防止するためのシール材１９０，１９１，１９２の２度塗り作業を省略することができ、作業性が高い。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、余分なシール材が、シール溝１５４，１５７，１６４に連通した逃げ溝１５５，１５８，１６５に沿ってはみ出す。逃げ溝１５５，１５８，１６５は、セパレータ１５０，１６０の端に向かって延在しており、ガス拡散層１３０，１４０に相対する流路１５６，１６６は、セパレータ１５０，１６０のほぼ中央に位置している。したがって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、余分なシール材を、流路１５６，１６６やガス拡散層１３０，１４０の方向と反対の方向にはみ出させることができる。よって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、より確実に、シール材１９０のはみ出しによる反応エリアの減少を防止することができ、体積あたりの発電効率が良好な燃料電池１０を製造することができる。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、余分なシール材が、シール溝１５４，１５７，１６４に連通した逃げ溝１５５，１５８，１６５に沿ってはみ出す。したがって、シール材１９０，１９１，１９２の偏在を抑制することができ、過剰なシール材による寸法誤差を小さくすることができる。よって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、高い寸法精度を有する燃料電池１０を製造することができる。

第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、側面が曲率を有するシール溝１５４，１５７，１６４、および突部１６７，１７１，１８１により、シール材１９０，１９１，１９２を押圧する。このとき、余分なシール材は、側面が曲率を有する逃げ溝１５５，１５８，１６５に沿ってはみ出る。溝の側面が溝の底面に対して垂直であると、押圧されたシール材１９０，１９１，１９２と溝の角との間に気泡が形成され易い。溝内に気泡があると、加熱硬化時等の温度上昇時に、気泡の膨張によりシール材１９０，１９１，１９２の途切れが発生する虞がある。第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、側面が曲率を有する、シール溝１５４，１５７，１６４および逃げ溝１５５，１５８，１６５を用いている。このため、気泡が抜け易く、気泡の形成を抑えることができ、気泡の膨張による途切れの発生を抑制できる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池製造方法は、品質を良好に保つことができ、高い信頼性を有する燃料電池１０を製造することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る燃料電池について説明する。図１１は、第２実施形態に係る燃料電池における、スタック部の部分拡大断面図である。なお、第１実施形態に係る燃料電池１０の部材と共通する部材については、説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池は、突部の側面が、シール溝の側面に接触している。以下、具体的に述べると、第１突部２７１の外側側面は、第１逃げ溝２５５が連通している、第１シール溝２５４の側面に接触している。第２突部２８１の外側側面は、第２逃げ溝２６５が連通している、第２シール溝２６４の側面に接触している。第３突部２６７の外側側面は、第３逃げ溝２５８が連通している、第３シール溝２５７の側面に接触している。第１突部２７１の外側側面、第２突部２８１の外側側面、および第３突部２６７の外側側面は、曲率を有する。

以上のように、各突部２６７，２７１，２８１の外側側面が、シール溝２５４，２５７，２６４の側面に接触しているため、各セパレータ２５０，２６０のズレが抑制される。したがって第２実施形態に係る燃料電池は、高い寸法精度を有する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、燃料電池１０は、スペーサに、シール溝およびこれに連通する逃げ溝を有し、セパレータに、シール溝に対向する突部を有するものでもよい。また、燃料電池製造方法は、シール材配置工程において、シール材が、第１突部１７１、第２シール溝１６４、および第３シール溝１５７に塗布されてもよい。

本発明に係る燃料電池を説明するための斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池の燃料ガス流路面を説明するための平面図である。 逃げ溝およびシール溝を説明するための斜視図である。 図３に示す燃料ガス流路面に対向する、第２ガス拡散層および第２スペーサを説明するための平面図である。 比較例に係る燃料電池を説明するための部分拡大断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池製造方法における、シール材配置工程を説明するための部分拡大断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う部分拡大断面図である。 図９の後のシール材押圧工程を説明するための部分拡大断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池を説明するための部分拡大断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、
１００ 単位電池（単セル）、
１２０ 両面に触媒層が形成された固体高分子膜（膜電極接合体）、
１３０，１４０ ガス拡散層、
１５０，１６０ セパレータ、
１５４，１５７，１６４ シール溝、
１５５，１５８，１６５ 逃げ溝、
１７０，１８０ スペーサ、
１９０，１９１，１９２ エポキシ樹脂（シール材）。

Claims (6)

1. 膜電極接合体と、
   当該膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、
   当該ガス拡散層を囲むスペーサと、
   これらを挟む一対のセパレータと、
   前記スペーサとセパレータの間に形成され内部にシール材を配置するシール溝と、
   当該シール溝に連通した逃げ溝と、
   前記セパレータ又はスペーサの一方に形成され、前記シール溝内に突出する突起部とを備え、
   当該突起部により前記シール溝を屈曲させて前記逃げ溝と連通するとともに、前記突起部の少なくとも一つの側面と前記シール溝の側面との間の隙間に前記シール材が充填された
   事を特徴とする燃料電池。
2. 前記突起部の一つの側面が、前記シール溝の側面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール溝および前記逃げ溝の側面が、曲率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 積層されて互いに隣接する前記セパレータと前記セパレータとの間に形成され内部にシール材を配置する、前記シール溝と異なる他のシール溝と、
   当該他のシール溝に連通した、前記逃げ溝と異なる他の逃げ溝と、
   前記隣接するセパレータの一方に形成され前記他のシール溝内に突出する、前記突起部と異なる他の突起部と、をさらに備え、
   前記他の突起部により前記他のシール溝を屈曲させて前記他の逃げ溝と連通する
   事を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 膜電極接合体、当該膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層、当該ガス拡散層を囲むスペーサ、これらを挟む一対のセパレータ、前記スペーサとセパレータの間に形成され内部にシール材を配置するシール溝、当該シール溝に連通した逃げ溝、および、前記セパレータ又はスペーサの一方に形成され前記シール溝内に突出する突起部を備える燃料電池の製造方法であって、
   前記シール溝および前記突起部の少なくとも一方にシール材を配置するシール材配置工程と、
   前記シール材を、前記突起部および前記シール溝により押圧するシール材押圧工程と、を有し、
   前記シール材押圧工程において前記突起部により前記シール材を押圧することによって前記シール溝を屈曲させて前記逃げ溝と連通させるとともに、前記突起部の少なくとも一つの側面と前記シール溝の側面との間の隙間に前記シール材を充填する
   事を特徴とする燃料電池製造方法。
6. 前記燃料電池は、
   積層されて互いに隣接する前記セパレータと前記セパレータとの間に形成され内部にシール材を配置する、前記シール溝と異なる他のシール溝と、
   当該他のシール溝に連通した、前記逃げ溝と異なる他の逃げ溝と、
   前記隣接するセパレータの一方に形成され前記他のシール溝内に突出する、前記突起部と異なる他の突起部と、をさらに備え、
   前記シール材配置工程において、前記他のシール溝および前記他の突起部の少なくとも一方にシール材が配置され、
   前記シール材押圧工程において、前記シール材が前記他の突起部および前記他のシール溝により押圧され、
   前記他の突起部により前記他のシール溝を屈曲させて前記他の逃げ溝と連通させる
   事を特徴とする請求項５に記載の燃料電池製造方法。

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