JP6064959B2

JP6064959B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6064959B2
Application number: JP2014194931A
Authority: JP
Inventors: 近藤　考司; 考司近藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: DE102015115707A1; US20160093902A1; CN105470540A; JP2016066518A; KR101796356B1; KR20160036652A; DE102015115707B4; CN105470540B; US9755252B2

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、エキスパンドメタルと、エキスパンドメタルの一方の面側に設けられたシーリングプレートと、エキスパンドメタル（ガス流路部材）の他方の面に配置されたセパレータープレートと、を備える燃料電池が記載されている。

特開２０１２−１２３９４９号公報

シーリングプレートは、ガス流路部材に溶接されて接合されている。溶接位置では、ガス流路部材が溶け、流路が閉塞あるいは狭められる。その結果、溶接位置及びその下流に、ガスが流れ難くなる場所が新たに生じ、セルの発電性能が低下する虞がある。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に配置されるガス流路部材と、前記膜電極接合体と前記ガス流路部材とを挟むように配置されるセパレーターと、前記セパレーターの対向する辺にそれぞれ設けられ、区画部によって分割され、前記辺に沿って並ぶ複数の孔と、前記ガス流路部材の前記膜電極接合体側、かつ、前記ガス流路部材の前記孔側の端部に、配置されるシーリングプレートと、を備える。前記ガス流路部材と、前記シーリングプレートとは、所定の溶接位置で溶接されており、前記所定の溶接位置は、前記区画部を通り、前記辺と垂直な直線上の位置を含む領域に設けられている。前記区画部を通り、前記辺と垂直な直線上の位置を含む領域は、区画部によりガスや生成水が流れ難くなっている領域である。すなわち、溶接位置は、ガスや生成水が流れ難い領域に設けられるので、新たなガスや生成水が流れにくい領域を生じさせない。その結果、膜電極接合体へのガスの供給や生成水の排水が維持され、発電性能の悪化を抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記ガス流路部材は、前記膜電極接合体の発電領域よりも、前記孔の方向に大きく、前記所定の位置は、前記発電領域の前記孔側の端部よりも、前記孔側の位置であってもよい。この形態によれば、発電領域の前記開口部側の端部よりも、前記開口部側の位置で溶接されているので、溶接によりガスや生成水が流れにくい位置が生じても、発電への影響を抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記ガス流路部材と前記シーリングプレートとの溶接位置の数は、１点から６点であってもよい。溶接位置の数が、１点から６点であればよく、ガス流路部材とシーリングプレートの変形や浮きを抑制できるとともに、溶接コストを削減できる。

（４）上記形態の燃料電池において、前記ガス流路部材と前記シーリングプレートとの溶接位置の数は、３点であってもよい。溶接位置が多ければ、ガス流路部材とシーリングプレートの変形や浮きをより抑制できる。一方、溶接位置が少なければ、溶接コストを削減できる。溶接位置の数が３点であれば、ガス流路部材とシーリングプレートとの変形や浮きを抑制できるとともに、溶接コストのバランスを取りやすい。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の他、エキスパンドメタルとシーリングプレートの接合構造、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池の構成を示す概略斜視図。ユニットセルの構成を分解して示す概略斜視図。カソード側セパレーターとガス流路部材とシーリングプレートを示す平面図。ユニットセルの酸化剤ガス排出孔近傍を模式的に示す断面図。膜電極ガス拡散層接合体の構成を示す説明図。区画部を通る直線上に溶接位置を設ける理由を説明する説明図。スポット溶接装置を示す説明図。溶接ガンの溶接部を拡大して示す説明図。シーリングプレートが溶接されたガス流路部材を示す平面図と断面図。図９のガス流路部材とシーリングプレートが重なる部分を拡大して示す断面図と平面図。

図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セルたるユニットセル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、前端側のエンドプレート１７０Ｆとユニットセル１００との間に、前端側の絶縁板１６５Ｆを介在させて前端側のターミナルプレート１６０Ｆを有する。燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅとユニットセル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。ユニットセル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７２ｉｎおよび燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔと、複数の酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎおよび酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１７６ｉｎおよび冷却水排出孔１７６ｏｕｔとを有する。これらの供給孔及び排出孔は、各ユニットセル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連結して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の供給マニホールドと排出マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの供給孔及び排出孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

複数の酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、複数の酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ｉｎは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。複数の冷却水供給孔１７６ｉｎは、燃料ガス供給孔１７２ｉｎの下側にＹ方向に沿って配置されており、複数の冷却水排出孔１７６ｏｕｔは、燃料ガス排出孔１７２ｏｕｔの上側にＹ方向に沿って配置されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１００の発電電力の集電板であり、図示しない端子から集電した電力を外部へ出力する。

図２はユニットセル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。ユニットセル１００は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０と、ＭＥＧＡ１１０の両面を挟むように配置されたアノード側セパレーター１２０と、カソード側セパレーター１３０と、シール部材１４０と、ガス流路部材１５０とを備える。

ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両面に一対の触媒電極層が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含み、このＭＥＡを、ガス拡散透過を図るガス拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）で挟持して構成される発電体である。なお、ＭＥＧＡをＭＥＡと呼ぶ場合もある。

アノード側セパレーター１２０およびカソード側セパレーター１３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、ステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレーター１２０、カソード側セパレーター１３０については、ステンレス鋼をプレス成型して作製した。

アノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０の側の面に、複数筋の溝状の燃料ガス流路１２１を備え、反対側の面に、複数筋の溝状の冷却水流路を備え、この両流路を、セパレーター表裏面で交互に並べている。このアノード側セパレーター１２０は、上述したマニホールドを構成する供給孔及び排出孔として、燃料ガス供給孔１２２ｉｎおよび燃料ガス排出孔１２２ｏｕｔと、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ｉｎおよび酸化剤ガス排出孔１２４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１２６ｉｎおよび冷却水排出孔１２６ｏｕｔとを備える。同様に、カソード側セパレーター１３０は、燃料ガス供給孔１３２ｉｎおよび燃料ガス排出孔と、複数の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎおよび酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１３６ｉｎおよび冷却水排出孔１３６ｏｕｔとを備える。また、シール部材１４０にあっても、同様に、アノード側セパレーター１２０の供給孔及び排出孔に対応して、燃料ガス供給孔１４２ｉｎおよび燃料ガス排出孔と、複数の酸化剤ガス供給孔１４４ｉｎおよび酸化剤ガス排出孔１４４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１４６ｉｎおよび冷却水排出孔１４６ｏｕｔとを備える。なお、図２に示す概略斜視図では、カソード側セパレーター１３０の燃料ガス排出孔と、シール部材１４０の燃料ガス排出孔は、他の部材に隠れている。

シール部材１４０は、シール性と絶縁性を有する樹脂或いはゴム等から形成され、その中央に、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状に適合した発電領域窓１４１を有する。この発電領域窓１４１の周縁は、段差形状とされており、その段差部に、ＭＥＧＡ１１０が組み込み装着される。こうして発電領域窓１４１に装着されたＭＥＧＡ１１０は、シール部材１４０の段差部においてシール部材１４０と重なり、発電領域窓１４１にて露出した領域を、後述のアノード側セパレーター１２０から燃料ガスの供給を受ける発電領域１１２とする。シール部材１４０は、ＭＥＧＡ１１０が組み込まれた発電領域窓１４１の周囲領域に既述した供給孔及び排出孔を備え、ＭＥＧＡ１１０を発電領域窓１４１に組み込んだ状態で、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とを、それぞれの供給孔及び排出孔回りを含めてシールする。つまり、シール部材１４０は、段差部でＭＥＧＡ１１０をその発電領域１１２の外側領域に亘ってシールするほか、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状外周面についても、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０との間でシールする。なお、アノード側セパレーター１２０およびカソード側セパレーター１３０は、ユニットセル１００が積層された際の燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水ごとの供給孔及び排出孔のシール性をセパレーター同士の接合面で確保すべく、後述の図３に示すように燃料ガス用シール材３００と、酸化剤用シール材３０１と、冷却水用シール材３０２とを備える。

ガス流路部材１５０は、シール部材１４０を介在させた上で、ＭＥＧＡ１１０とカソード側セパレーター１３０との間に位置し、カソード側セパレーター１３０の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎから供給される酸化剤ガスを、ＭＥＧＡ１１０の面方向（ＸＹ平面方向）に沿って流し、酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔから排出するためのガス流路を構成する。ガス流路部材１５０としては、金属多孔体（例えば、エキスパンドメタル）などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料が用いられる。また、このガス流路部材１５０は、図２における上端と下端にそれぞれ、ガス非透過の薄葉状のシーリングプレート１５１ｏｕｔと１５１ｉｎを備え、当該シーリングプレート１５１ｏｕｔ、１５１ｉｎを、ＭＥＧＡ１１０の上端と下端の領域に接合させている。

カソード側セパレーター１３０は、既述した供給孔及び排出孔の形成領域を含めてほぼ平板状とされ、図２におけるガス流路部材１５０の上端と下端の近傍に、脚１３１を、図２における紙面奥側に突出させている。この脚１３１は、ユニットセル１００が積層された際に、隣り合うユニットセル１００のアノード側セパレーター１２０における外縁部１２３に接触する。

図３は、カソード側セパレーター１３０と、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔを示す平面図である。図３は、ＭＥＧＡ１１０側から見た状態を示している。カソード側セパレーター１３０は、ステンレス鋼等をプレス成型して形成され、図２に示すように、シール部材１４０とガス流路部材１５０とを介在させて、ＭＥＧＡ１１０をアノード側セパレーター１２０と共に挟持する。

カソード側セパレーター１３０は、外縁部１３３に、既述した反応ガスおよび冷却水の供給孔及び排出孔として、燃料ガス供給孔１３２ｉｎおよび燃料ガス排出孔１３２ｏｕｔと、区画部１３８ＢＭｉｎにより分割された複数の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎと、区画部１３８ＢＭｏｕｔにより分割された複数の酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔと、複数の冷却水供給孔１３６ｉｎおよび冷却水排出孔１３６ｏｕｔとを備える。複数の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎは、辺１３０Ｌｉｎに沿って形成され、複数の酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔは、辺１３０Ｌｏｕｔに沿って形成されている。なお、辺１３０Ｌｉｎと辺１３０Ｌｏｕｔは、対向する辺である。これら供給孔及び排出孔のうち、燃料ガス供給孔１３２ｉｎと燃料ガス排出孔１３２ｏｕｔとは、燃料ガス用シール材３００により個別にシールされ、複数の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎと複数の酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔとは、酸化剤用シール材３０１により、孔の並びごとにシールされる。複数の冷却水供給孔１３６ｉｎおよび冷却水排出孔１３６ｏｕｔも、冷却水用シール材３０２により、孔の並びごとにシールされる。なお、カソード側セパレーター１３０の図面手前側において、複数の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎの中央側と、複数の酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔの中央側については、酸化ガスを流すために、酸化剤用シール材３０１が設けられていない。

図３において、カソード側セパレーター１３０の図面手前側の中央部には、ガス流路部材１５０が配置される。ガス流路部材１５０の酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎ側端部と酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔ側端部には、それぞれシーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔが配置される。ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔとは、所定の溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔでスポット溶接されている。溶接位置ＷＰｉｎは、区画部１３８ＢＭｉｎを通り、酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎが並ぶ辺１３０Ｌｉｎと垂直な直線ＢＭＬｉｎ上の位置であり、溶接位置ＷＰｏｕｔは、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔが並ぶ辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の位置である。なお、溶接位置ＷＰｉｎは、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２の端部よりも酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎ側であり、溶接位置ＷＰｏｕｔは、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２の端部よりも酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔ側の位置である。なお、図３では、発電領域１１２の位置に対応する位置を破線で図示している。溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔの位置では、溶接によりガス流路部材１５０が閉塞してガスが流れにくくなるおそれがあるため、溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔは、発電領域１１２と重ならないことが好ましい。

図４は、ユニットセル１００の酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ近傍を模式的に示す断面図である。ユニットセル１００は、ＭＥＧＡ１１０とシール部材１４０と、カソード側セパレーター１３０と、アノード側セパレーター１２０と、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｏｕｔと、を備える。酸化剤ガス供給孔１７４ｉｎ近傍については、上下方向が逆になるだけで、同様の構成であるので、図示及び説明を省略する。

シール部材１４０のカソード側には、シーリングプレート１５１ｏｕｔが配置されている。シーリングプレート１５１ｏｕｔは、金属製の板であり、一部が酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。なお、本実施形態では、カソード側セパレーター１３０と、アノード側セパレーター１２０と、シール部材１４０の長さが異なるので、酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔのＭＥＧＡ側の端部をシール部材１４０の端面１４０ａで規定するものとする。なお、シール部材１４０の製造バラツキやバリ等を考慮して、シール部材１４０の端面１４０ａの平均位置で規定しても良い。なお、酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔの他方の端は、シール部材１４０の反対側の端面１４０ｂあるいは、カソード側セパレーター１３０の端部、アノード側セパレーター１２０端部のいずれで規定しても良い。シール部材１４０の反対側の端面１４０ｂ、カソード側セパレーター１３０、アノード側セパレーター１２０の端部位置が図の上下方向で同じ位置であるからである。ＭＥＧＡ１１０とシール部材１４０とシーリングプレート１５１ｏｕｔのカソード側には、ガス流路部材１５０が配置されている。ガス流路部材１５０は、酸化剤ガスを流すための流路であり、上述したようにエキスパンドメタルにより形成されている。ただし、エキスパンドメタルの代わりに、他の種類の金属多孔体により形成されていてもよい。ガス流路部材１５０は、シーリングプレート１５１ｏｕｔと同位置まで酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。なお、図４では、カソード側セパレーター１３０、ガス流路部材１５０、シーリングプレート１５１ｏｕｔの突出している大きさについては、模式的に示している。

ガス流路部材１５０の隣のユニットセル１００側にカソード側セパレーター１３０が配置される。カソード側セパレーター１３０は、金属製の板であり、一部が酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出している。ＭＥＧＡ１１０とシール部材１４０のガス流路部材１５０と反対側の面には、アノード側セパレーター１２０が配置される。アノード側セパレーター１２０は、凹凸のある金属製のプレートである。アノード側セパレーター１２０は、酸化剤ガス排出孔１７４ｏｕｔ内に突出していない。アノード側セパレーター１２０とＭＥＧＡ１１０との間には燃料ガス流路１２８が形成され、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０との間には、冷媒流路１２９が形成される。

図５は、ＭＥＧＡ１１０の構成を示す説明図である。ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜１１１と、カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６と、カソード側ガス拡散層１１８と、アノード側ガス拡散層１１９と、を備える。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有する電解質膜であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。

カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６は、触媒（例えば白金）を担持したカーボンを有している。本実施形態では、アノード側触媒層１１６は電解質膜１１１の第１面の全領域にわたって塗工されているが、カソード側触媒層１１４は電解質膜１１１の第２面のうちの一部の領域（発電領域）のみに塗工されている。この理由は、アノード側触媒層１１６は、カソード側触媒層１１４に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜１１１の第１面の全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない反面、塗工工程が簡単になるからである。

カソード側触媒層１１４の上には、カソード側ガス拡散層１１８が配置され、アノード側触媒層１１６の上には、アノード側ガス拡散層１１９が配置されている。カソード側ガス拡散層１１８及びアノード側ガス拡散層１１９は、カーボンペーパーで形成されているただし、カーボンペーパーの代わりにカーボン不織布で形成されていてもよい。

図６は、区画部１３８ＢＭｉｎ、１３８ＢＭｏｕｔを通る直線ＢＭＬｉｎ、ＢＭＬｏｕｔ上に溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔを設ける理由を説明する説明図である。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎからガス流路部材１５０に供給され、ガス流路部材１５０を通る間に発電領域１１２に供給され、酸化剤排ガスは、酸化剤ガス排出孔１３４ｏｕｔから排出される。ここで、酸化剤ガス供給孔１３４ｉｎは、区画部１３８ＢＭｉｎにより分割されている。区画部１３８ＢＭｉｎがガスの流れを妨げるため、区画部１３８ＢＭｉｎの下流の領域１５０Ａｉｎには、元々ガスが流れにくい。したがって、この領域１５０Ａｉｎに溶接位置ＷＰｉｎを設けても、新たなガスが流れにくい領域は発生しない。すなわち、溶接位置ＷＰｉｎの有無により、ガスの流れ難さは、ほとんど変わらない。排出側についても、区画部１３８ＢＭｏｕｔの上流の領域１５０Ａｏｕｔには、元々ガスや生成水が流れにくい。同様に、この領域１５０Ａｏｕｔに溶接位置ＷＰｏｕｔを設けても、ガスや生成水の流れ難さは、ほとんど変わらない。

図７は、スポット溶接装置を示す説明図である。スポット溶接装置５００は、電源５１０と、トランス５２０と、溶接ガン５３０と、を備える。電源５１０は、溶接に必要な電流を生成する。トランス５２０は、電線５１２により電源５１０に接続されており、電源５１０で生じた電力を昇圧するとともに、溶接ガン５３０に供給する。溶接ガン５３０は、上電極５３２と下電極５３４とを備える。上電極５３２は、電線５２３によりトランス５２０のプラス電極５２２に接続され、下電極５３４は、電線５２５によりトランス５２０のマイナス電極５２４に接続されている。スポット溶接装置５００は、上電極５３２と下電極５３４との間に圧力を掛けながら被溶接物（ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１）を挟み、電流を流すことで、被溶接物を溶かして溶接する。

図８は、溶接ガンの溶接部を拡大して示す説明図である。上電極５３２の直径は約１．５ｍｍであり、下電極５３４の直径は、約３．０ｍｍである。上電極５３２と下電極５３４との間に、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１とを挟み、約５０±３Ｎの圧力を掛けながら溶接する。典型的な溶接電流は、９２０±３０Ａ、通電時間は、３５±３ｍｓ間、スロープ時間は、１．８ｍｓである。なお、圧力、溶接電流、通電時間、スロープ時間は、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１の厚さや材質により、適切な値に変更しても良い。

図９は、シーリングプレート１５１ｏｕｔ、１５１ｉｎが溶接されたガス流路部材１５０を示す平面図と断面図である。図９（Ａ）は、平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）を９Ｂ−９Ｂ切断線で切った断面図である。本実施形態では、上流側において、３つの溶接位置ＷＰｉｎで、ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｉｎとを溶接している。下流側においても、３つの溶接位置ＷＰｏｕｔで、ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｏｕｔとを溶接している。なお、溶接位置の数は、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎ、１５０ｏｕｔについて、それぞれ１点から６点であればよく、３点が望ましい。３点であれば、ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｉｎ、１５０ｏｕｔとの変形や浮きを抑制できるとともに、溶接コストを削減できる。溶接位置の数を３点より少なくすれば、溶接コストを削減でき、３点より多くすれば、ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔとの変形や浮きをより抑制できる。なお、溶接位置の数が３点以上ある場合には、溶接位置の間隔がほぼ均等になるように設けてもよい。シーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔが溶接されたガス流路部材１５０は、ＭＥＧＡ１１０と、アノード側セパレーター１２０と、カソード側セパレーター１３０と、シール部材１４０とともに、図２に示すように、重ねられて、ユニットセル１００が形成される。

以上、本実施形態によれば、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎは、区画部１３８ＢＭｉｎを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｉｎと垂直な直線ＢＭＬｉｎ上の溶接位置ＷＰｉｎで溶接され、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｏｕｔは、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の溶接位置ＷＰｏｕｔで溶接されている。溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔは、それぞれ区画部１３８ＢＭｉｎ、１３８ＢＭｏｕｔにより、元々ガスや生成水が流れにくい領域１５０Ａｉｎ、１５０Ａｏｕｔにある。したがって、溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔを新たに設けても、ガスや生成水が流れにくい位置、領域が、新たに生じない。したがって、発電性能の悪化を抑制できる。

本実施形態では、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔとをスポット溶接しているが、スポット溶接の代わりに圧着、接着剤による接着、ろう付け、レーザー溶接、溶融溶接などを用いて、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎ、１５１ｏｕｔとを接合しても良い。

本実施形態では、区画部１３８ＢＭｉｎを通る直線ＢＭＬｉｎ上、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通る直線ＢＭＬｏｕｔ上に溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔを設けた。しかし溶接位置ＷＰｉｎ、ＷＰｏｕｔは、区画部１３８ＢＭｉｎ、１３８ＢＭｏｕｔによりガスや生成水が流れにくい領域であれば、必ずしも直線ＢＭＬｉｎ、直線ＢＭＬｏｕｔ上に無くても良い。例えば、直線ＢＭＬｉｎ、直線ＢＭＬｏｕｔを含む領域であっても良い。

変形例：
上記実施形態では、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｉｎは、区画部１３８ＢＭｉｎを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｉｎと垂直な直線ＢＭＬｉｎ上の溶接位置ＷＰｉｎで溶接され、ガス流路部材１５０と、シーリングプレート１５１ｏｕｔは、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の溶接位置ＷＰｏｕｔで溶接した。区画部１３８ＢＭｉｎを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｉｎと垂直な直線ＢＭＬｉｎ上の位置、あるいは区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の位置は、他の用途にも利用可能である。

図１０は、図９のガス流路部材とシーリングプレートが重なる部分を拡大して示す断面図と平面図である。なお、図１０（Ａ）に示す断面図では、ガス流路部材１５０とシーリングプレート１５１ｏｕｔを図示し、図１０（Ｂ）に示す平面図では、ガス流路部材１５０のみを図示している。ガス流路部材１５０には、円形あるいは楕円形のつり下げ穴１５０ｈが形成されている。つり下げ穴１５０ｈの位置は、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の位置である。つり下げ穴１５０ｈは、ガス流路部材１５０をＰＡＣ処理する際に用いられる。ＰＡＣ処理とは、耐食性を向上させるために行う表面処理であり、例えばＣＶＤ装置を用いてガス流路部材１５０の表面に炭素皮膜を形成する。ＰＡＣ処理においては、ガス流路部材１５０のつり下げ穴１５０ｈに引っかけ棒を挿入し、ＣＶＤ装置のチャンバ内にガス流路部材をつり下げる。つり下げ穴１５０ｈは、ガス流路部材１５０を流れるガスや生成水の流れを乱すおそれがある。したがって、区画部１３８ＢＭｏｕｔを通り、カソード側セパレーター１３０の辺１３０Ｌｏｕｔと垂直な直線ＢＭＬｏｕｔ上の位置という、もともとガスや生成水が流れにくい領域に、つり下げ穴１５０ｈを設けることが好ましい。なお、つり下げ穴１５０ｈは、カソード側セパレーター１３０とガス流路部材１５０との間の位置合わせに用いても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池
１００…ユニットセル
１１０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１１１…電解質膜
１１２…発電領域
１１４…カソード側触媒層
１１６…アノード側触媒層
１１８…カソード側ガス拡散層
１１９…アノード側ガス拡散層
１２０…アノード側セパレーター
１２１…燃料ガス流路
１２２ｉｎ…燃料ガス供給孔
１２２ｏｕｔ…燃料ガス排出孔
１２３…外縁部
１２４ｉｎ…酸化剤ガス供給孔
１２４ｏｕｔ…酸化剤ガス排出孔
１２６ｉｎ…冷却水供給孔
１２６ｏｕｔ…冷却水排出孔
１２８…燃料ガス流路
１２９…冷媒流路
１３０…カソード側セパレーター
１３０Ｌｉｎ…辺
１３０Ｌｏｕｔ…辺
１３１…脚
１３２ｉｎ…燃料ガス供給孔
１３３…外縁部
１３４ｉｎ…酸化剤ガス供給孔
１３４ｏｕｔ…酸化剤ガス排出孔
１３６ｉｎ…冷却水供給孔
１３６ｏｕｔ…冷却水排出孔
１３８ＢＭｉｎ…区画部
１３８ＢＭｏｕｔ…区画部
１４０…シール部材
１４０ａ…端面
１４０ｂ…端面
１４１…発電領域窓
１４２ｉｎ…燃料ガス供給孔
１４４ｉｎ…酸化剤ガス供給孔
１４４ｏｕｔ…酸化剤ガス排出孔
１４６ｉｎ…冷却水供給孔
１４６ｏｕｔ…冷却水排出孔
１５０…ガス流路部材
１５０Ａｉｎ…領域
１５０Ａｏｕｔ…領域
１５０ｈ…つり下げ穴
１５１…シーリングプレート
１５１ｉｎ…シーリングプレート
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７２ｉｎ…燃料ガス供給孔
１７２ｏｕｔ…燃料ガス排出孔
１７４ｉｎ…酸化剤ガス供給孔
１７４ｏｕｔ…酸化剤ガス排出孔
１７６ｉｎ…冷却水供給孔
１７６ｏｕｔ…冷却水排出孔
３００…燃料ガス用シール材
３０１…酸化剤用シール材
３０２…冷却水用シール材
５００…スポット溶接装置
５１０…電源
５１２…電線
５２０…トランス
５２２…プラス電極
５２３…電線
５２４…マイナス電極
５２５…電線
５３０…溶接ガン
５３２…上電極
５３４…下電極
ＷＰｉｎ…溶接位置
ＢＭＬｉｎ…直線
ＷＰｏｕｔ…溶接位置
ＢＭＬｏｕｔ…直線

Claims

燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置されるガス流路部材と、
前記膜電極接合体と前記ガス流路部材とを挟むように配置されるセパレーターと、
前記セパレーターの対向する辺にそれぞれ設けられ、区画部によって分割され、前記辺に沿って並ぶ複数の孔と、
前記ガス流路部材の前記膜電極接合体側、かつ、前記ガス流路部材の前記孔側の端部に、配置されるシーリングプレートと、
を備え、
前記ガス流路部材と、前記シーリングプレートとは、所定の溶接位置で溶接されており、
前記所定の溶接位置は、前記区画部を通り、前記辺と垂直な直線上の位置を含む領域に設けられている、燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ガス流路部材は、前記膜電極接合体の発電領域よりも、前記孔の方向に大きく、
前記所定の位置は、前記発電領域の前記孔側の端部よりも、前記孔側の位置である、燃料電池。
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記ガス流路部材と前記シーリングプレートとの溶接位置の数は、１点から６点である、燃料電池。
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記ガス流路部材と前記シーリングプレートとの溶接位置の数は、３点である、燃料電池。