JP6014548B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる燃料電池の製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一面側にアノード電極を、前記固体高分子電解質膜の他面側にカソード電極を、それぞれ配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより発電セル（単位セル）を構成している。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極とカソード電極とに、それぞれ反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。従って、反応ガスのシール性等を確保するために、電解質膜・電極構造体とセパレータとを正確に位置決めして組み立てる必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、電解質膜・電極構造体は、一方の電極を構成するガス拡散層が、電解質膜全面を覆って設けられ、他方の電極を構成するガス拡散層が、前記電解質膜よりも小さな平面寸法を有している。そして、セパレータに一体に設けられたシール部材には、一方の電極を構成するガス拡散層及び電解質膜の外周端部を位置決めするための複数の凸状部が互いに離間して設けられている。

このため、電解質膜・電極構造体をセパレータの凸状部に係合させるだけで、前記電解質膜・電極構造体を前記セパレータに対して正確且つ容易に位置決めすることができる。

特許第４５１６２７９号公報

ところで、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるために、前記固体高分子電解質膜を薄膜状に構成することが行われている。その際、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂製枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている。しかしながら、樹脂製枠部材には、反りが発生し易い。このため、樹脂製枠部材をセパレータの位置決め用凸状部に係合させる際や、燃料電池を積層する際に、電解質膜・電極構造体の位置ずれが発生するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを正確且つ容易に位置決めし、相互のずれの発生を可及的に抑制することが可能な燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる燃料電池の製造方法に関するものである。

この燃料電池の製造方法では、金属セパレータと樹脂枠部材とを当接させた状態で、前記金属セパレータを、前記樹脂枠部材に当接する接触面とは反対の面からスポット状に加熱することにより、前記樹脂枠部材の一部を溶融して前記金属セパレータと前記樹脂枠部材とを溶着させ、前記金属セパレータと電解質膜・電極構造体とが一体化された構造体を製造している。

また、この燃料電池の製造方法では、一方の金属セパレータと樹脂枠部材との間に配置される内側シール部材と、前記樹脂枠部材を挟んで積層される一方の前記金属セパレータと他方の金属セパレータとの間に、且つ、該樹脂枠部材の外方に位置して配置される外側シール部材と、を設けている。セパレータ面方向に沿って内側シール部材と外側シール部材との間を、スポット状に加熱することが好ましい。

さらに、この燃料電池の製造方法では、第１の金属セパレータ、第１の電解質膜・電極構造体、第２の金属セパレータ、第２の電解質膜・電極構造体及び第３の金属セパレータを備えている。第１の金属セパレータと第１の電解質膜・電極構造体とが溶着された第１の構造体と、第２の金属セパレータと第２の電解質膜・電極構造体とが溶着された第２の構造体と、第３の金属セパレータと、を積層することが好ましい。

本発明によれば、金属セパレータと電解質膜・電極構造体とが重ね合わされた状態で、前記金属セパレータ側の加熱部位に対してスポット状に加熱している。これにより、樹脂枠部材の一部が溶融して、金属セパレータと前記樹脂枠部材とが溶着されている。このため、樹脂枠部材に反りが発生していても、前記樹脂枠部材を金属セパレータに確実に固定することができる。

従って、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを正確且つ容易に位置決めし、相互のずれの発生を可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 加熱装置により前記第１金属セパレータと前記第１電解質膜・電極構造体の第１樹脂枠部材とを溶着する際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットの、図１０中、ＸＩ−ＸＩ線断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、発電ユニット１２を備える。複数の発電ユニット１２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されてスタックを構成する。このスタックは、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。

発電ユニット１２は、第１金属セパレータ（第１の金属セパレータ）１４、第１電解質膜・電極構造体（第１の電解質膜・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ（第２の金属セパレータ）１８、第２電解質膜・電極構造体（第２の電解質膜・電極構造体）１６ｂ及び第３金属セパレータ（第３の金属セパレータ）２０を設ける。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の一端縁部及び他端縁部には、それぞれ矢印Ｃ方向の略中央にノック用孔部２７ａ、２７ｂが形成される。ノック用孔部２７ａ、２７ｂには、それぞれ図示しない樹脂製のノックピンが挿入されることにより、発電ユニット１２内で第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０間の位置決めを行う。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。

入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとに連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。

第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、ブリッジである蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、ブリッジである蓋体３７ｂにより覆われる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、ブリッジである蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、ブリッジである蓋体４５ｂにより覆われる。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。

図３に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を取り囲む第１凸状シール部４６ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４６ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟んで積層される第２金属セパレータ１８の第２シール部材４８に当接する。第１凸状シール部４６ａは、後述する第１樹脂枠部材５８の外周に位置して配置される外側シール部材を構成する。

第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１シール部材４６と一体に位置決めリブ４６ａｒが形成される。位置決めリブ４６ａｒは、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第１金属セパレータ１４とを相対的に位置決めする機能を有し、必要に応じて設けられる。

第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部４６ｂを有する。

第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、第１燃料ガス流路３４を囲繞する第１凸状シール部４８ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部４８ａは、第２金属セパレータ１８に隣接する第１電解質膜・電極構造体１６ａの第１樹脂枠部材５８に当接する内側シール部材を構成する。

図４に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との外周を取り囲む第２凸状シール部４８ｂを有する。図２に示すように、第２凸状シール部４８ｂは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟んで積層される第３金属セパレータ２０の第３シール部材５０に当接する。第２凸状シール部４８ｂは、後述する第２樹脂枠部材６０の外周に位置して配置される外側シール部材を構成する。

図２に示すように、面１８ｂには、第２シール部材４８と一体に位置決めリブ４８ｂｒが形成される。位置決めリブ４８ｂｒは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂと第２金属セパレータ１８とを相対的に位置決めする機能を有し、必要に応じて設けられる。

図１に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、第２燃料ガス流路４２を囲繞する第１凸状シール部５０ａを有する。図２に示すように、第１凸状シール部５０ａは、第３金属セパレータ２０に隣接する第２電解質膜・電極構造体１６ｂの第２樹脂枠部材６０に当接する内側シール部材を構成する。

第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を取り囲む第２凸状シール部（外側シール部材）５０ｂを有する。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法（表面寸法）よりも小さな平面寸法（表面寸法）を有する段差型ＭＥＡを構成している。

なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。

なお、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０は、別体で成形するとともに、接着剤等で第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接合してもよい。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

図１及び図５に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部６２ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有する。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。

図６に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部６８ａが設けられる。第１樹脂枠部材５８の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。第１樹脂枠部材５８の矢印Ｂ方向両端部には、ノックピンを通過させるための切り欠き部７０ａ、７０ｂが形成される。

図１及び図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材６０は、カソード電極５４側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部７４ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０の面には、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部７４ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図８に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部８０ａが設けられる。第２樹脂枠部材６０の面には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して、出口バッファ部８０ｂが設けられる。第２樹脂枠部材６０の矢印Ｂ方向両端部には、ノックピンを通過させるための切り欠き部８１ａ、８１ｂが形成される。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。

第１の実施形態では、発電ユニット１２は、第１構造体（第１の構造体）８２と、第２構造体（第２の構造体）８４と、第３金属セパレータ２０とが積層されて構成される。第１構造体８２は、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとが溶着されており、第２構造体８４は、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとが溶着されている。

このように構成される発電ユニット１２を製造する作業について、以下に説明する。

図９に示すように、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとは、加熱装置９０により溶着される。加熱装置９０は、基台部９２と電気ヒータで加熱された加熱棒体９４とを備える。基台部９２は、第１樹脂枠部材５８との当接面が平坦な形状を有する。加熱棒体９４は、第１金属セパレータ１４との当接面が平坦な形状を有することが好ましいが、例えば、先端が滑らかなＲ形状を有していてもよい。基台部９２の当接部の表面積は、加熱棒体９４の当接部の表面積よりも大きい。

なお、加熱装置９０に代えて、例えば、レーザ加熱装置（図示せず）等の種々の加熱装置でスポット的に第１金属セパレータ１４を直接加熱してもよい。

基台部９２上には、第１電解質膜・電極構造体１６ａの第１樹脂枠部材５８が載置されるとともに、前記第１樹脂枠部材５８上には、第１金属セパレータ１４が載置される。第１金属セパレータ１４は、位置決めリブ４６ａｒにより第１電解質膜・電極構造体１６ａに対して位置決めされる。第１金属セパレータ１４側の接合箇所には、予めスポット的に粗面化処理が施されることが好ましい。接合強度の向上が図られるからである。また、第１金属セパレータ１４の全周に亘って第１酸化剤ガス流路２６を囲繞する平坦部が形成される。なお、第２金属セパレータ１８でも、同様である。

そして、加熱棒体９４は、所定の温度に加熱された状態で、第１金属セパレータ１４の第１樹脂枠部材５８に当接する接触面（面１４ａ）とは反対の面１４ｂに対して、すなわち、加熱部位９６ａに対して所定の加圧力で押圧される。このため、第１金属セパレータ１４を介して第１樹脂枠部材５８が加熱され、前記第１樹脂枠部材５８の一部が溶融する。次いで、加熱棒体９４の温度を低下させることにより、溶融部位が固化し、溶着部位９８ａが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、上記の加熱部位９６ａが所定の複数の位置に設けられる。これにより、第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８との間には、図５に示すように、所定の複数の位置に溶着部位９８ａが形成される。特に、入口バッファ部６２ａの近傍及び出口バッファ部６２ｂの近傍に、溶着部位９８ａが設けられる。このため、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとは、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化される。

一方、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとは、上記と同様に、溶着される。図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、所定の複数の位置に加熱部位９６ｂが設けられる。これにより、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間には、図７に示すように、所定の複数の位置に溶着部位９８ｂが形成される。特に、入口バッファ部７４ａの近傍及び出口バッファ部７４ｂの近傍に、溶着部位９８ｂが設けられる。従って、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとは、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化される。

この場合、第１の実施形態では、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとが、重ね合わされた状態で、面１４ｂ側から所定の複数の加熱部位９６ａに対してスポット状に加熱している。このため、第１樹脂枠部材５８が加熱溶融され、所定の複数の位置に溶着部位９８ａが形成される。従って、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとは、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化されて第１構造体８２が得られる。

このため、特に反りが発生し易い第１樹脂枠部材５８が用いられても、前記第１樹脂枠部材５８を第１金属セパレータ１４に確実に固定することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第１金属セパレータ１４とを正確且つ容易に位置決めし、相互のずれの発生を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

一方、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとは、上記と同様に、互いに正確に位置決めされた状態で、一体化されて第２構造体８４が得られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、第２電解質膜・電極構造体１６ｂと第２金属セパレータ１８とを正確且つ容易に位置決めし、相互のずれの発生を可及的に抑制することが可能になる。

さらに、発電ユニット１２は、第１構造体８２、第２構造体８４及び第３金属セパレータ２０から構成されている。このため、ノック用孔部２７ａ、２７ｂに挿入されるノックピン（図示せず）を用いて、第１構造体８２、第２構造体８４及び第３金属セパレータ２０を積層するだけで、発電ユニット１２の組み立て作業が遂行される。従って、発電ユニット１２内及び複数の前記発電ユニット１２同士の位置決めが容易且つ効率的に遂行されるという利点がある。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２５ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が入口バッファ部７４ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図３及び図４に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極５４に供給される。また、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部８０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５６に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

図１０及び図１１に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００は、発電ユニット１０２を備える。複数の発電ユニット１０２は、水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層されてスタックを構成する。

発電ユニット１０２は、第１構造体（第１の構造体）１０４と、第２構造体（第２の構造体）１０６と、第３金属セパレータ２０とが積層されて構成される。第１構造体１０４は、第１金属セパレータ１４と第１電解質膜・電極構造体１６ａとが溶着されており、第２構造体１０６は、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとが溶着されている。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、加熱部位１０８ａが所定の複数の位置に設けられる。図１１に示すように、加熱部位１０８ａは、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に沿って内側シール部材である第１凸状シール部４８ａと外側シール部材である第１凸状シール部４６ａとの間に設けられる。

図１０に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、加熱部位１０８ｂが所定の複数の位置に設けられる。加熱部位１０８ｂは、図１１に示すように、セパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に沿って内側シール部材である第１凸状シール部５０ａと外側シール部材である第２凸状シール部４８ｂとの間に設けられる。

第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８との間には、所定の複数の位置（加熱部位１０８ａに対応する位置）に溶着部位１１０ａが形成される。第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間には、所定の複数の位置（加熱部位１０８ｂに対応する位置）に溶着部位１１０ｂが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、図１１に示すように、加熱部位１０８ａが、セパレータ面方向に沿って第１凸状シール部４８ａと第１凸状シール部４６ａとの間に設けられている。このため、例えば、溶着部位１１０ａに損傷が発生しても、第１凸状シール部４８ａが第１樹脂枠部材５８に当接している。従って、損傷した溶着部位１１０ａからの反応ガスのクロスリークを可及的に阻止することができる。さらに、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００…燃料電池 １２、１０２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路 ３０ａ…入口連結溝
３０ｂ…出口連結溝 ３２…冷却媒体流路
３４、４２…燃料ガス流路 ３６ａ…供給流路溝部
３６ｂ…排出流路溝部 ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
８２、８４、１０４、１０６…構造体
９０…加熱装置 ９２…基台部
９４…加熱棒体
９６ａ、９６ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…加熱部位
９８ａ、９８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…溶着部位

Claims (3)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材が設けられる燃料電池の製造方法であって、
   前記金属セパレータと前記樹脂枠部材とを当接させた状態で、前記金属セパレータを、前記樹脂枠部材に当接する接触面とは反対の面からスポット状に加熱することにより、前記樹脂枠部材の一部を溶融して前記金属セパレータと前記樹脂枠部材とを溶着させ、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが一体化された構造体を製造することを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の製造方法において、一方の前記金属セパレータと前記樹脂枠部材との間に配置される内側シール部材と、
   前記樹脂枠部材を挟んで積層される一方の前記金属セパレータと他方の前記金属セパレータとの間に、且つ、該樹脂枠部材の外方に位置して配置される外側シール部材と、
   を設けるとともに、
   セパレータ面方向に沿って前記内側シール部材と前記外側シール部材との間を、前記スポット状に加熱することを特徴とする燃料電池の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池の製造方法において、第１の前記金属セパレータ、第１の前記電解質膜・電極構造体、第２の前記金属セパレータ、第２の前記電解質膜・電極構造体及び第３の前記金属セパレータを備えるとともに、
   第１の前記金属セパレータと第１の前記電解質膜・電極構造体とが溶着された第１の前記構造体と、
   第２の前記金属セパレータと第２の前記電解質膜・電極構造体とが溶着された第２の前記構造体と、
   第３の前記金属セパレータと、
   を積層することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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