JP5857929B2 - 燃料電池セル、および、燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セル、および、燃料電池セルの製造方法に関するものである。

燃料電池セルは、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体や、膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体を、一対のセパレータで挟持することによって構成される。この燃料電池セルでは、一対のセパレータの間における膜電極接合体や、膜電極ガス拡散層接合体の周縁部は、ゴムや樹脂などのシール部材によってシールされる。

そして、従来、燃料電池セルにおける上述したシール構造について、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献２，３に記載された技術では、膜電極接合体の周縁部に、シール部材（ガスケット）を一体的に形成している。また、下記特許文献１に記載された技術では、マニホルド穴を有する枠部材と燃料電池電極およびセパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シートを接着剤により、それぞれ接着して一体化している。

特開２０１１−０２８９０７号公報 特開２０１０−０４０４５１号公報 特開２００９−１５８３９１号公報

ところで、近年では、燃料電池セルの製造工程の短縮化や簡略化が求められている。そのため、燃料電池セルにおけるシール構造に、フィルム状のシール部材を用いる態様が考えられる。そして、このフィルム状のシール部材として、上記特許文献１に記載された接着シートを用いることが考えられる。特許文献１の構成では、接着シート（電極枠接着用シート）は、電極枠部材に近い形状を有する枠状部品であり、中央の開口部のみが電極枠部材の開口部より小さく形成されている。

しかし、上記特許文献１に記載された構成の場合、アノード電極層とカソード電極層の両側に接するガス拡散層を有する構成とすると、これらのガス拡散層の外縁と電極枠部材の間にギャップが生じやすく、このギャップ部分においてクロスリークが生じるおそれがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ガス拡散層を備える燃料電池セルにおいて、ガス拡散層の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池セルであって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間における前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接着されたフィルム状のシール部材と、
を備え、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
前記膜電極接合体の一方の表面に接合された第１のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
を備えており、
前記シール部材は、
前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に形成された段差部であって、前記第１のガス拡散層の外周端部と前記第２のガス拡散層の外周端部とによって形成された段差部と嵌合する嵌合段差部を備えるとともに、
前記嵌合段差部において、前記第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した前記膜電極接合体と当接する部位に、前記膜電極接合体と接着するための接着層を備える、
燃料電池セル。

適用例１の燃料電池セルでは、シール部材は、嵌合段差部において、第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した膜電極接合体と当接する部位に、膜電極接合体と接着するための接着層を備える。このため、第２のガス拡散層の外周端部において、第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した膜電極接合体と当接する部位に設けられたシール部材及び接着層により、膜電極接合体に沿った外縁方向へのクロスリーク、すなわち、ガス拡散層の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池セルであって、
前記シール部材における前記嵌合段差部は、互いに形状が異なる第１の絶縁性フィルムと第２の絶縁性フィルムとを重ね合わせて接着することによって形成されている、
燃料電池セル。

適用例２の燃料電池セルでは、シール部材における嵌合段差部を比較的容易に、かつ、精度よく形成することができる。

［適用例３］
適用例１記載の燃料電池セルであって、
前記シール部材における前記嵌合段差部は、１枚の絶縁性フィルムに形成されている、
燃料電池セル。

適用例３の燃料電池セルでは、適用例２の燃料電池セルよりも、シール部材を構成する部品点数を少なくすることができる。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池セルであって、
前記シール部材は、さらに、前記セパレータと当接する部位に、前記セパレータと接着するための接着層を備える、
燃料電池セル。

適用例４の燃料電池セルによって、シール部材やセパレータに接着剤を塗工することなく、シール部材とセパレータとを簡易に接着することができる。

［適用例５］
適用例１記載の燃料電池セルであって、
前記シール部材は、前記膜電極接合体と接着することができる単一の部材からなる、
燃料電池セル。

適用例５の燃料電池セルでは、シール部材が単一の部材（接着材）からなるので、例えば、複数の部材からなる場合よりも、シール部材のリサイクルを容易に行うことができる。また、シール部材を構成する基材に接着層を形成する工程を省略することができる。

［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池セルであって、
前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部と、前記嵌合段差部を備える前記シール部材との間が弾性接着剤によって接着された、燃料電池セル。

適用例６の燃料電池セルでは、電解質膜の周縁部において、電解質膜が膨張収縮することによって電解質膜が破断することを防止することができる。

［適用例７］
燃料電池セルの製造方法であって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の表面に接合された第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体を用意する工程と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータを用意する工程と、
前記一対のセパレータの間における前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接着されるフィルム状のシール部材であって、前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部において、前記第１のガス拡散層の外周端部と前記第２のガス拡散層の外周端部とによって形成される段差部と嵌合する嵌合段差部を備えるとともに、前記嵌合段差部において、前記第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した前記膜電極接合体と当接する部位に、前記膜電極接合体と接着するための接着層を備えるシール部材を用意する工程と、
前記膜電極ガス拡散層接合体における前記段差部と、前記シール部材における前記嵌合段差部とを嵌合させて接着する工程と、
前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を前記一対のセパレータで挟持して、前記シール部材と前記一対のセパレータとを接着する工程と、
を備える燃料電池セルの製造方法。

適用例７の燃料電池セルの製造方法によって、適用例１の燃料電池セルを製造することができる。

［適用例８］
適用例７に記載の燃料電池セルの製造方法あって、
前記シール部材と前記一対のセパレータとを接着する工程は、
前記シール部材を加熱することを予め行う予熱工程と、
前記予熱工程の終了後、前記一対のセパレータを押圧するプレス工程と
を含む燃料電池セルの製造方法。

適用例８の燃料電池セルの製造方法によれば、予熱工程とプレス工程とを分離することによって、サイクルタイムを短縮することができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池セル１００の製造工程を示す説明図である。 本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。 本発明の第３実施例としての燃料電池セル１００Ｂの概略構成を示す説明図である。 本発明の第４実施例としての燃料電池セル１００Ｃの要部断面図である。 第４実施例における燃料電池セル１００Ｃの製造工程を示す説明図である。 積層工程、予熱工程およびプレス工程の様子を示す説明図である。 本発明の第５実施例としての燃料電池セル１００Ｄの要部断面図である。 本発明の第６実施例としての燃料電池セル１００Ｅの要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池セルの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）に、燃料電池セル１００の要部断面図を示した。図１（ａ）では、後述する膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。また、図１（ｂ）に、膜電極ガス拡散層接合体１０の要部断面図を示した。また、図１（ｃ）に、シール部材２０の要部断面図を示した。

図１（ａ）に示したように、第１実施例の燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、膜電極ガス拡散層接合体１０を挟持するセパレータ３０，４０と、セパレータ３０，４０の間における膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部に接着されたフィルム状のシール部材２０と、を備えている。

膜電極ガス拡散層接合体１０は、膜電極接合体１２のアノード側の表面に接合されたアノード側ガス拡散層１４と、膜電極接合体１２のカソード側の表面に接合されたカソード側ガス拡散層１６と、を備えている。カソード側ガス拡散層１６は、膜電極接合体１２のカソード側の表面において、膜電極接合体１２を挟んでアノード側ガス拡散層１４と対向する領域であって、アノード側ガス拡散層１４が接合された領域よりも内側の領域に接合されている。つまり、膜電極接合体１２は、アノード側ガス拡散層１４およびカソード側ガス拡散層１６の全面に接合されており、また、カソード側ガス拡散層１６が接合された領域から外側に露出している。そして、図１（ａ），（ｂ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部には、アノード側ガス拡散層１４の外周端部１４ｅとカソード側ガス拡散層１６の外周端部１６ｅとによって、段差部１０ｓが全周にわたって形成されている。アノード側ガス拡散層１４は、［課題を解決するための手段］における第１のガス拡散層に相当する。また、カソード側ガス拡散層１６は、［課題を解決するための手段］における第２のガス拡散層に相当する。

膜電極接合体１２は、電解質膜の両面に電極（アノード、および、カソード）を接合してなる。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層１４、カソード側ガス拡散層１６として、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層１４、カソード側ガス拡散層１６として、カーボンペーパー等、導電性およびガス透過性を有する他の部材と用いるものとしてもよい。

セパレータ３０は、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側ガス拡散層１４の表面に積層される。そして、セパレータ３０において、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側ガス拡散層１４との当接面には、アノード側ガス拡散層１４の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路３２が形成されている。また、セパレータ３０のシール部材２０とは反対側の表面には、ガスケット３４が形成されている。また、セパレータ４０は、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１６の表面に積層される。そして、セパレータ４０において、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１６との当接面には、カソード側ガス拡散層１６の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路４２が形成されている。本実施例では、セパレータ３０，４０として、金属プレートを用いるものとした。セパレータ３０，４０として、ガス不透過で導電性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。

シール部材２０は、図１（ａ），（ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１０における段差部１０ｓと嵌合する嵌合段差部２０ｓを備えている。本実施例では、嵌合段差部２０ｓは、１枚の絶縁性フィルム２２に形成されているものとした。この嵌合段差部２０ｓは、例えば、絶縁性フィルム２２の一部をエッチングしたり、押圧して塑性変形させたりすることによって形成される。そして、シール部材２０は、絶縁性フィルム２２におけるセパレータ３０と当接する部位に、セパレータ３０と接着するための接着層２４を備える。また、シール部材２０は、絶縁性フィルム２２におけるセパレータ４０と当接する部位に、セパレータ４０と接着するための接着層２６を備える。また、シール部材２０は、嵌合段差部２０ｓにおいて、カソード側ガス拡散層１６が接合された領域から外側に露出した膜電極接合体１２と当接する部位に、膜電極接合体１２と接着するための接着層２８を備える。絶縁性フィルム２２としては、例えば、ポリプロピレンや、ポリエチレン等の樹脂からなる基材を用いることができる。また、接着層２４，２６，２８としては、接着性を付与した熱可塑性樹脂、例えば、シランカップリング剤が配合されたポリプロピレンやポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィンを用いることができる。接着性を付与した熱可塑性樹脂の具体的な例示としては、三井化学（株）製のアドマー（登録商標）等を挙げることができる。

上述した第１実施例の燃料電池セル１００は、以下に説明する製造工程によって製造することができる。

Ａ２．燃料電池セルの製造工程：
図２は、燃料電池セル１００の製造工程を示す説明図である。まず、膜電極ガス拡散層接合体１０と、シール部材２０と、セパレータ３０，４０と、を用意する（ステップＳ１００）。次に、膜電極ガス拡散層接合体１０における段差部１０ｓと、シール部材２０における嵌合段差部２０ｓとを嵌合させて接着する（ステップＳ１１０）。そして、膜電極ガス拡散層接合体１０およびシール部材２０をセパレータ３０，４０で挟持して、シール部材２０とセパレータ３０，４０とを接着する（ステップＳ１２０）。以上の製造工程によって、第１実施例の燃料電池セル１００は製造される。

以上説明した第１実施例の燃料電池セル１００では、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部に形成された段差部１０ｓと、シール部材２０に形成された嵌合段差部２０ｓとが嵌合されて接着される。具体的には、この部分において、膜電極接合体１２と絶縁性フィルム２２とが接着層２８により接着される。このため、カソード側ガス拡散層１６から外周端部方向にガスがリークしようとしても絶縁性フィルム２２及び接着層２８により、リークが抑制される。したがって、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。

また、第１実施例の燃料電池セル１００では、シール部材２０における嵌合段差部２０ｓは、１枚の絶縁性フィルム２２に形成されている。したがって、後述する第２実施例の燃料電池セル１００Ａよりも、シール部材２０を構成する部品点数を少なくすることができる。

Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。図３（ａ）に燃料電池セル１００Ａの要部断面図を示した。図３（ａ）では、図１（ａ）と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。また、図３（ｂ）に、膜電極ガス拡散層接合体１０の要部断面図を示した。また、図３（ｃ）に、シール部材２０Ａの要部断面図を示した。

図３と図１との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池セル１００Ａは、第１実施例の燃料電池セル１００におけるシール部材２０の代わりに、シール部材２０Ａを備える。そして、これ以外の第２実施例の燃料電池セル１００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池セル１００の構成と同じである。以下、シール部材２０Ａについて説明する。

シール部材２０Ａは、図３（ａ），（ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１０における段差部１０ｓと嵌合する嵌合段差部２０Ａｓを備えている。本実施例では、この嵌合段差部２０Ａｓは、互いに形状が異なる２枚の絶縁性フィルム２２ａ，２２ｂを重ね合わせて接着することによって形成されているものとした。そして、シール部材２０Ａは、絶縁性フィルム２２ａにおけるセパレータ３０と当接する部位に、セパレータ３０と接着するための接着層２４を備える。また、シール部材２０Ａは、絶縁性フィルム２２ｂにおけるセパレータ４０と当接する部位に、セパレータ４０と接着するための接着層２６を備える。また、シール部材２０Ａは、嵌合段差部２０Ａｓにおいて、カソード側ガス拡散層１６が接合された領域から外側に露出した膜電極接合体１２と当接する部位に、膜電極接合体１２と接着するための接着層２８を備える。この接着層２８は、絶縁性フィルム２２ａと絶縁性フィルム２２ｂとの接着にも利用されている。絶縁性フィルム２２ａ，２２ｂとしては、第１実施例における絶縁性フィルム２２と同様に、例えば、ポリプロピレンや、ポリエチレン等の樹脂からなる基材を用いることができる。絶縁性フィルム２２ａ，２２ｂは、［課題を解決するための手段］における第１の絶縁性フィルム、および、第２の絶縁性フィルムに相当する。

なお、上述した第２実施例の燃料電池セル１００Ａは、図２に示した第１実施例の燃料電池セル１００の製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。すなわち、第２実施例の燃料電池セル１００Ａの製造工程では、シール部材２０の代わりに、シール部材２０Ａを用いればよい。

以上説明した第２実施例の燃料電池セル１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。

また、第２実施例の燃料電池セル１００Ａでは、シール部材２０Ａにおける嵌合段差部２０Ａｓは、互いに形状が異なる絶縁性フィルム２２ａ，２２ｂを重ね合わせて接着することによって形成されている。したがって、シール部材２０Ａにおける嵌合段差部２０Ａｓを比較的容易に、かつ、精度よく形成することができる。

Ｃ．第３実施例：
図４は、本発明の第３実施例としての燃料電池セル１００Ｂの概略構成を示す説明図である。図４（ａ）に燃料電池セル１００Ｂの要部断面図を示した。図４（ａ）では、図１（ａ）と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。また、図４（ｂ）に、膜電極ガス拡散層接合体１０の要部断面図を示した。また、図４（ｃ）に、シール部材２０Ｂの要部断面図を示した。

図４と図１との比較から分かるように、第３実施例の燃料電池セル１００Ｂは、第１実施例の燃料電池セル１００におけるシール部材２０の代わりに、シール部材２０Ｂを備える。そして、これ以外の第３実施例の燃料電池セル１００Ｂの構成は、第１実施例の燃料電池セル１００の構成と同じである。以下、シール部材２０Ｂについて説明する。

シール部材２０Ｂは、図４（ａ），（ｃ）に示したように、膜電極ガス拡散層接合体１０における段差部１０ｓと嵌合する嵌合段差部２０Ｂｓを備えている。本実施例では、シール部材２０Ｂは、膜電極接合体１２、および、セパレータ３０，４０と接着することができる単一の部材である接着材２５からなる。接着材２５としては、第１実施例のシール部材２０における接着層２４，２６，２８と同様に、接着性を付与した熱可塑性樹脂、例えば、シランカップリング剤を配合したり、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィンを用いることができる。

なお、上述した第３実施例の燃料電池セル１００Ｂは、図２に示した第１実施例の燃料電池セル１００の製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。すなわち、第３実施例の燃料電池セル１００Ｂの製造工程では、シール部材２０の代わりに、シール部材２０Ｂを用いればよい。

以上説明した第３実施例の燃料電池セル１００Ｂによっても、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。

また、第３実施例の燃料電池セル１００Ｂでは、シール部材２０Ｂは、単一の部材である接着材２５からなるので、第１，２実施例におけるシール部材２０，２０Ａよりも、リサイクルを容易に行うことができる。また、第１，２実施例におけるシール部材２０，２０Ａを構成する絶縁性フィルム２２，２２ａ，２２ｂに接着層２４，２６，２８を形成する工程を省略することができる。

Ｄ．第４実施例：
図５は、本発明の第４実施例としての燃料電池セル１００Ｃの要部断面図である。図５では、図１（ａ）と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。図５を図１（ａ）と比較すると、燃料電池セル１００Ｃの全体が上下方向に反転している。すなわち、図１（ａ）ではアノード側を上側にカソード側を下側に示しているのに対して、図５ではアノード側を上側にカソード側を下側に示している。４４はガスケットであり、カソード側のセパレータ４０のシール部材２０とは反対側の表面に形成されたものである。

第４実施例の燃料電池セル１００Ｃは、第１実施例の燃料電池セル１００と比べて、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部と、嵌合段差部２０ｓ（図１（ｃ）参照）を備えるシール部材２０との間が弾性接着剤６０によって接着されていることが異なる。第４実施例における燃料電池セル１００Ｃのその他の構成は、第１実施例における燃料電池セル１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図５において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

弾性接着剤６０によって接着される膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部は、詳しくは、アノード側ガス拡散層１４の外周端部１４ｅ（図１（ｂ）参照）と、カソード側ガス拡散層１６の外周端部１６ｅ（図１（ｂ）参照）と、膜電極接合体１２においてカソード側ガス拡散層１６が接合された領域から外側に露出している領域とを含む。シール部材２０においては、その膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部とかみ合うシール部材２０の内側部分が、弾性接着剤６０によって接着されることになる。なお、膜電極接合体１２における前記露出している領域を、以下、単に「膜電極接合体露出領域」と呼ぶ。

図６は、第４実施例における燃料電池セル１００Ｃの製造工程（製造方法）を示す説明図である。この製造工程は、ライン生産方式によって実現されるもので、後述するステップを一つの工程ととらえ、それらの工程間を部品を搬送しながら製造がなされる。まず、膜電極ガス拡散層接合体１０と、シール部材２０と、セパレータ３０，４０と、を用意する（ステップＳ２００）。このステップＳ２００は、第１実施例におけるステップＳ１００と同一である。なお、図中のステップＳ２００には、シール部材２０の要部断面図を示した。ステップＳ２００では、膜電極ガス拡散層接合体１０もセパレータ３０，４０も用意するが、ここではシール部材２０だけを図示している。要部断面図に示すように、シール部材２０は、第１実施例と同様に、１枚の絶縁性フィルム２２に形成されており、アノード側のセパレータ３０と接着するための接着層２４と、カソード側のセパレータ４０と接着するための接着層２６と、膜電極接合体露出領域と接着するための接着層２８とを備える。

ステップＳ２００の実行後、ステップＳ２００で用意した膜電極ガス拡散層接合体１０に液状の弾性接着剤を塗布する（ステップＳ２１０）。なお、図中のステップＳ２１０には、膜電極ガス拡散層接合体１０等の要部断面図を示した。要部断面図に示すように、膜電極接合体露出領域１２Ｅに対して、塗布用ノズル７０を用いて弾性接着剤６０が塗布される。詳しくは、弾性接着剤６０は、塗布ロボットにより塗布されたり、１または複数のディスペンサーを用いて搬送と同時に塗布される。弾性接着剤６０としては、塗布する際には液状で、硬化後は弾性を有する接着剤、例えば、ポリイソブチレン、もしくはシリコーン等を用いる。

次に、膜電極ガス拡散層接合体１０における段差部１０ｓと、シール部材２０における嵌合段差部２０ｓとを嵌合させて接着する（ステップＳ２２０）。なお、図中のステップＳ２２０には、嵌合した膜電極ガス拡散層接合体１０とシール部材２０の要部断面図を示した。このステップＳ２２０は、第１実施例におけるステップＳ１１０と同様の作業を行うものではあるが、この第４実施例では、膜電極接合体露出領域１２Ｅの上部に液状の弾性接着剤６０が存在することから、弾性接着剤６０は広がって、要部断面図に示すように、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部とシール部材２０との間に充填され、その後、硬化される。この硬化は、段差部１０ｓと嵌合段差部２０ｓとが嵌合する部分周辺を加熱することによってなされ、その結果、嵌合する部分が接着される。なお、弾性接着剤６０の材料によっては、紫外線（ＵＶ）を照射することによって硬化する構成とすることもできる。ＵＶ硬化を採用することで、硬化時間の短縮を図ることができる。

なお、弾性接着剤６０は、前述したように、ポリイソブチレン、もしくはシリコーン等を用いているが、さらに、直径が３０−１００μｍ程度であるビーズを含ませた構成としてもよい。前記の弾性接着剤６０が広がる際にビーズがスペーサの役目を果たすことで、接着剤の厚みを所定量確保することができる。ステップＳ２２０までの工程によって、膜電極ガス拡散層接合体１０とシール部材２０の接合体（以下「サブアッセンブリ」と呼ぶ）ＳＢが得られる。

ステップＳ２２０の実行後、ステップＳ２２０によって得られたサブアッセンブリＳＢをセパレータ３０，４０で挟持し（積層工程：ステップＳ２３０）、その後、全体を加熱し（予熱工程：ステップＳ２４０）。その後、セパレータ３０，４０を両側から押圧する（プレス工程：ステップＳ２５０）。

図７は、積層工程、予熱工程、およびプレス工程の様子を示す説明図である。図示するように、積層工程、予熱工程、プレス工程の順にラインが進んでいる。図中の破線は、ラインを形成するコンベアＣＢである。積層工程では、一方のセパレータ３０の上にサブアッセンブリＳＢを載せ、サブアッセンブリＳＢの上に他方のセパレータ４０を載せる。

積層工程で得られた積層体ＳＴは、予熱工程に送られる。予熱工程では、積層体ＳＴを加熱炉ＨＴに入れて、積層体ＳＴの全体を加熱する。加熱温度は、例えば１２０−１８０℃である。予熱工程の終了後、積層体ＳＴは、プレス工程に送られる。プレス工程では、積層体ＳＴが両側から加圧圧縮される。加圧力は、例えば１０−５０ｋＮである。なお、このプレス工程では、特に加温は行わない。図６に戻り、ステップＳ２５０のプレス工程の実行後、この製造工程は終了する。

以上の製造工程によって、第４実施例の燃料電池セル１００Ｃは製造される。この製造工程によれば、予熱工程の後にプレス工程というように、予熱工程とプレス工程とが分離されている。この分離は、セパレータ３０と接着するための接着層２４と、セパレータ４０と接着するための接着層２６とが熱可塑性樹脂である特性を活かしたことによるもので、生産ラインにおけるサイクルタイムを短縮することができる。

前述した燃料電池セル１００Ｃの製造工程は、予熱工程として、積層体ＳＴの全体を加熱する構成であったが、これに換えて、積層体ＳＴの一部分であるセパレータ３０、４０を近赤外法や誘導加熱法によって加熱する構成としてもよい。さらには、積層工程、予熱工程、プレス工程の順に換えて、予熱工程を一番に行って、積層工程とプレス工程とを同時に行う構成としてもよい。詳しくは、セパレータを近赤外法や誘導加熱法によって加熱し、その後、セパレータをサブアッセンブリＳＢと積層すると同時にプレスを行う構成としてもよい。この構成によっても、予熱工程とプレス工程とが分離されており、サイクルタイムを短縮することができる。

以上説明した第４実施例の燃料電池セル１００Ｃによっても、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。さらに、この燃料電池セル１００Ｃによれば、電解質膜の周縁部、特に膜電極接合体露出領域１２Ｅの膜部分が膨張収縮することによって電解質膜が破断することを防止することができる。

Ｅ．第５実施例：
図８は、本発明の第５実施例としての燃料電池セル１００Ｄの要部断面図である。第４実施例の燃料電池セル１００Ｃは第１実施例の燃料電池セル１００に対して弾性接着剤６０を設けた構成であったが、この第５実施例の燃料電池セル１００Ｄは第２実施例の燃料電池セル１００Ａ（図３）に対して弾性接着剤６０Ｄを設けた構成である。すなわち、この第５実施例の燃料電池セル１００Ｄは、シール部材２０Ａが１枚の絶縁性フィルム２２ａ，２２ｂを含む構成において、弾性接着剤６０Ｄを設けた構成である。

図８では、図３（ａ）と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。図８を図３（ａ）と比較すると、燃料電池セル１００Ｄの全体が上下方向に反転している。すなわち、図３（ａ）ではアノード側を上側にカソード側を下側に示しているのに対して、図８ではアノード側を上側にカソード側を下側に示している。

第５実施例の燃料電池セル１００Ｄは、第２実施例の燃料電池セル１００Ａと比べて、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部と、嵌合段差部２０Ａｓ（図３（ｃ）参照）を備えるシール部材２０Ａとの間が弾性接着剤６０Ｄによって接着されていることが異なる。第５実施例における燃料電池セル１００Ｄのその他の構成は、第２実施例における燃料電池セル１００Ａの構成と同一であるので、同一の構成要素については、図８において、図３と同一の符合を付し、その説明を省略する。

なお、上述した第５実施例の燃料電池セル１００Ｄは、図６に示した第４実施例の燃料電池セル１００Ｄの製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。すなわち、第５実施例の燃料電池セル１００Ｄの製造工程では、シール部材２０の代わりに、シール部材２０Ａを用いればよい。第４実施例における製造工程の変形例も、第５実施例の変形例として採用することができる。

以上説明した第５実施例の燃料電池セル１００Ｄによっても、第２実施例の燃料電池セル１００Ａと同様に、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。また、この燃料電池セル１００Ｄによれば、電解質膜の周縁部、特に膜電極接合体露出領域１２Ｅの膜部分が膨張収縮することによって電解質膜が破断することを防止することができる。さらに、第５実施例の燃料電池セル１００Ｄの製造工程によれば、第４実施例の製造工程と同様に、予熱工程とプレス工程とが分離して、サイクルタイムを短縮することができる。

Ｆ．第６実施例：
図９は、本発明の第６実施例としての燃料電池セル１００Ｅの要部断面図である。第４実施例の燃料電池セル１００Ｃは第１実施例の燃料電池セル１００に対して弾性接着剤６０を設けた構成であったが、この第６実施例の燃料電池セル１００Ｅは第３実施例の燃料電池セル１００Ｂ（図４）に対して弾性接着剤６０Ｅを設けた構成である。すなわち、この第６実施例の燃料電池セル１００Ｅは、シール部材２０Ｂが単一の部材である接着材２５からなる構成において、弾性接着剤６０Ｅを設けた構成である。

図９では、図４（ａ）と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部近傍の様子を示した。図９を図４（ａ）と比較すると、燃料電池セル１００Ｅの全体が上下方向に反転している。すなわち、図４（ａ）ではアノード側を上側にカソード側を下側に示しているのに対して、図９ではアノード側を上側にカソード側を下側に示している。

第６実施例の燃料電池セル１００Ｅは、第３実施例の燃料電池セル１００Ｃと比べて、膜電極ガス拡散層接合体１０の周縁部と、嵌合段差部２０Ｂｓ（図４（ｃ）参照）を備えるシール部材２０Ｂとの間が弾性接着剤６０Ｅによって接着されていることが異なる。第６実施例における燃料電池セル１００Ｅのその他の構成は、第３実施例における燃料電池セル１００Ｂの構成と同一であるので、同一の構成要素については、図９において、図４と同一の符合を付し、その説明を省略する。

なお、上述した第６実施例の燃料電池セル１００Ｅは、図６に示した第４実施例の燃料電池セル１００Ｄの製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。すなわち、第６実施例の燃料電池セル１００Ｅの製造工程では、シール部材２０の代わりに、シール部材２０Ｂを用いればよい。第４実施例における製造工程の変形例も、第６実施例の変形例として採用することができる。

以上説明した第６実施例の燃料電池セル１００Ｅによっても、第３実施例の燃料電池セル１００Ｂと同様に、アノード側ガス拡散層１４、および、カソード側ガス拡散層１６の外周端部における電極間でのクロスリークを抑制することができる。また、この燃料電池セル１００Ｅによれば、電解質膜の周縁部、特に膜電極接合体露出領域１２Ｅの膜部分が膨張収縮することによって電解質膜が破断することを防止することができる。さらに、第６実施例の燃料電池セル１００Ｅの製造工程によれば、第４実施例の製造工程と同様に、予熱工程とプレス工程とが分離して、サイクルタイムを短縮することができる。

Ｇ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｇ１．変形例１：
例えば、上記第１実施例では、シール部材２０は、接着層２４，２６を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。シール部材２０において、接着層２４，２６の少なくとも一方を備えないものとしてもよい。ただし、シール部材２０が接着層２４，２６を備えることによって、シール部材２０を構成する絶縁性フィルム２２やセパレータ３０，４０に接着剤を塗工することなく、シール部材２０（絶縁性フィルム２２）とセパレータ３０，４０とを簡易に接着することができる。

Ｇ２．変形例２：
上記実施例では、図２に示した燃料電池セル１００の製造工程において、ステップＳ１１０の工程と、ステップＳ１２０の工程とを、別々に行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、セパレータ４０の表面に、シール部材２０と膜電極ガス拡散層接合体１０と、セパレータ３０とを積層して、ステップＳ１１０の工程と、ステップＳ１２０の工程とを同時に行うようにしてもよい。

Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、膜電極ガス拡散層接合体１０において、カソード側ガス拡散層１６が、膜電極接合体１２のカソード側の表面において、膜電極接合体１２を挟んでアノード側ガス拡散層１４と対向する領域であって、アノード側ガス拡散層１４が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極ガス拡散層接合体１０において、アノード側ガス拡散層１４が、膜電極接合体１２のアノード側の表面において、膜電極接合体１２を挟んでカソード側ガス拡散層１６と対向する領域であって、カソード側ガス拡散層１６が接合された領域よりも内側の領域に接合されているものとしてもよい。

１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池セル
１０…膜電極ガス拡散層接合体
１０ｓ…段差部
１２…膜電極接合体
１４…アノード側ガス拡散層
１４ｅ…外周端部
１６…カソード側ガス拡散層
１６ｅ…外周端部
２０，２０Ａ，２０Ｂ…シール部材
２０ｓ，２０Ａｓ，２０Ｂｓ…嵌合段差部
２２，２２ａ，２２ｂ…絶縁性フィルム
２４，２６，２８…接着層
２５…接着材
３０…セパレータ
３２…燃料ガス流路
３４…ガスケット
４０…セパレータ
４２…酸化剤ガス流路
６０，６０Ｄ，６０Ｅ…弾性接着剤

Claims (6)

1. 燃料電池セルであって、
   電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータの間における前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接着されたフィルム状のシール部材と、
   を備え、
   前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
   前記膜電極接合体の一方の表面に接合された第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の他方の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
   を備えており、
   前記シール部材は、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に形成された段差部であって、前記第１のガス拡散層の外周端部と前記第２のガス拡散層の外周端部とによって形成された段差部と嵌合する嵌合段差部を備えるとともに、
   前記嵌合段差部において、前記第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した前記膜電極接合体と当接する部位に、前記膜電極接合体と接着するための接着層を備え、
   前記シール部材における前記嵌合段差部は、
   互いに形状が異なる第１の絶縁性フィルムと第２の絶縁性フィルムとが重ね合わされた構造によって形成されている、
   燃料電池セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルであって、
   前記シール部材は、さらに、前記セパレータと当接する部位に、前記セパレータと接着するための接着層を備える、
   燃料電池セル。
3. 請求項２に記載の燃料電池セルであって、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部と、前記嵌合段差部を備える前記シール部材との間が弾性接着剤によって接着された、燃料電池セル。
4. 燃料電池セルであって、
   電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータの間における前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接着されたフィルム状のシール部材と、
   を備え、
   前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
   前記膜電極接合体の一方の表面に接合された第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の他方の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
   を備えており、
   前記シール部材は、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に形成された段差部であって、前記第１のガス拡散層の外周端部と前記第２のガス拡散層の外周端部とによって形成された段差部と嵌合する嵌合段差部を備えるとともに、
   前記膜電極接合体と接着することができる単一の部材からなり、
   前記嵌合段差部における、前記第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した前記膜電極接合体と当接する部位において、前記膜電極接合体と接着されている、
   燃料電池セル。
5. 請求項４に記載の燃料電池セルであって、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部と、前記嵌合段差部を備える前記シール部材との間が弾性接着剤によって接着された、燃料電池セル。
6. 燃料電池セルであって、
   電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータの間における前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に接着されたフィルム状のシール部材と、
   を備え、
   前記膜電極ガス拡散層接合体は、前記ガス拡散層として、
   前記膜電極接合体の一方の表面に接合された第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の他方の表面において、前記膜電極接合体を挟んで前記第１のガス拡散層と対向する領域であって、前記第１のガス拡散層が接合された領域よりも内側の領域に接合された第２のガス拡散層と、
   を備えており、
   前記シール部材は、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に形成された段差部であって、前記第１のガス拡散層の外周端部と前記第２のガス拡散層の外周端部とによって形成された段差部と嵌合する嵌合段差部を備えるとともに、
   前記嵌合段差部において、前記第２のガス拡散層が接合された領域から外側に露出した前記膜電極接合体と当接する部位に、前記膜電極接合体と接着するための接着層を備え、
   さらに、
   前記膜電極ガス拡散層接合体の周縁部と、前記嵌合段差部を備える前記シール部材との間が弾性接着剤によって接着された、燃料電池セル。

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