JP6521912B2 - 燃料電池単セルおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池単セルおよびその製造方法に関するものである。
特許文献１には、燃料電池の単セルが開示されている。この単セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の周囲に接合された樹脂枠とを有し、樹脂枠付きの電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータ及びカソード側セパレータにより挟持した構造を有する。２枚のセパレータそれぞれの外縁部には、ガスマニホールド孔が形成されており、２枚のセパレータそれぞれの樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に向かう面には、ガス流路が形成されている。樹脂枠のカソード側セパレータに向かう面には、ガスマニホールド孔とガス流路とを繋ぐ複数本のガイド流路（ガス流路形成部）が樹脂により形成されている。
特開２０１５−１３３２６９号公報
しかしながら、従来技術では、熱押圧により樹脂枠と２枚のセパレータとを一体化させる際、ガス流路形成部の樹脂の性質によっては、ガス流路形成部が溶融して変形し、そのガス流路が閉塞してしまう場合があるという問題があった。
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、燃料電池単セルが提供される。この燃料電池単セルは、 ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された樹脂フレームと、を有するＭＥＧＡプレートと、前記ＭＥＧＡの第１面に接して配置され、前記樹脂フレームの第１面側に配置された第１セパレータと、前記ＭＥＧＡの第２面に接して配置され、前記樹脂フレームの第２面側に配置された第２セパレータと、を備え、前記樹脂フレームの外縁部にはガスマニホールド孔が形成されており、前記樹脂フレームの前記第１面には、前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成する凹凸状のガス流路形成部が設けられており、前記樹脂フレームの前記第２面には、前記ガスマニホールド孔の周囲を取り囲んで前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着する溶融接着部が、前記ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、前記溶融接着部は第１樹脂によって形成されており、前記ガス流路形成部は前記第１樹脂よりも融点の高い第２樹脂によって形成されている。
この形態の燃料電池単セルによれば、ガス流路形成部の融点は、溶融接着部の融点よりも高いので、燃料電池単セルを組み立てるに当たり、ガス流路形成部の溶融や変形を抑制でき、ガス流路形成部のガス流路が塞がる可能性を低減できる。
（２）上記形態の燃料電池単セルにおいて、 前記樹脂フレームは、矩形枠状の形状を有し、前記ガスマニホールド孔は、前記樹脂フレームの４つの角の位置に形成され、前記樹脂フレームの一対の対角に形成された２つの第１ガスマニホールド孔と、他の一対の対角に形成された２つの第２ガスマニホールド孔とを含み、前記樹脂フレームの前記第１面に設けられた前記ガス流路形成部は、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成する２つの第１ガス流路形成部を含み、前記燃料電池単セルには、更に、前記樹脂フレームの前記第２面に、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガス流路を形成する凹凸状の２つの第２ガス流路形成部が設けられており、前記樹脂フレームの前記第２面に設けられた前記溶融接着部とは別に、前記樹脂フレームの前記第１面に、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガスの流通を遮断せず、かつ、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれを取り囲んで前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第１セパレータとを接着する第１溶融接着部が、前記２つの第２ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、前記樹脂フレームの前記第２面に設けられた前記溶融接着部は、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断せず、かつ、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれを取り囲んで前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着し、前記２つの第１ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成された第２溶融接着部を含み、前記第１溶融接着部及び前記第２溶融接着部は前記第１樹脂によって形成されており、前記２つの第１ガス流路形成部及び前記２つの第２ガス流路形成部は前記第２樹脂によって形成されていてもよい。
この形態の燃料電池単セルによれば、２つの第１ガス流路形成部及び２つの第２ガス流路形成部の融点は、第１溶融接着部及び第２溶融接着部の融点よりも高いので、燃料電池単セルを組み立てるに当たり、４つのガス流路形成部のそれぞれについて、その溶融や変形を抑制でき、ガス流路形成部のガス流路が塞がる可能性を低減できる。
（３）上記形態の燃料電池単セルにおいて、前記燃料電池単セルが複数積層される積層方向に沿って投影して観察したとき、前記２つの第１ガス流路形成部と前記２つの第２ガス流路形成部とが互いに重ならない位置に形成されていてもよい。
この形態の燃料電池単セルによれば、燃料電池単セルが複数積層される積層方向に沿って投影して観察したとき、２つの第１ガス流路形成部と２つの第２ガス流路形成部とが互いに重ならない位置に形成されているので、燃料電池単セルを組み立てるに当たり、セパレータにかかる圧力を分散でき、燃料電池単セルの変形を抑制できる。
（４）上記（１）に記載の燃料電池単セルにおいて、前記樹脂フレームは、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された内枠と、前記内枠の周囲に接合された外枠とを含み、前記外枠は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに接合されており、前記内枠のヤング率は、前記外枠のヤング率よりも小さくてもよい。
この形態の燃料電池単セルによれば、内枠のヤング率が外枠のヤング率よりも小さく、内枠が弾性変形し易いので、燃料電池単セルが温度差の大きな環境下で使用される場合に、セパレータや外枠に生じる応力を内枠によって緩和することができ、内枠に接合されたＭＥＧＡの電解質膜が引張応力によって破断する可能性を低減することができる。
（５）上記（１）又は（４）に記載の燃料電池単セルにおいて、前記燃料電池単セルが複数積層される積層方向に沿って投影して観察したとき、前記第１セパレータの両面のうち、前記樹脂フレームの前記第１面側に配置された面と反対側の冷却面に、前記ガス流路形成部と重なる位置を通過するように、前記燃料電池単セルが複数積層される際に当該燃料電池単セルに隣接する他の燃料電池単セルの前記第２セパレータと接触するシールガスケットが形成されていてもよい。
この形態の燃料電池単セルによれば、樹脂フレームの第１面側に配置された面の反対側の冷却面に、ガス流路形成部の位置を通過するようにシールガスケットが形成されているので、燃料電池単セルを複数積層するとき、シールガスケットにかかる圧力の一部をガス流路形成部で受けることができ、燃料電池単セルの変形を抑制できる。
（６）本発明の他の形態によれば、燃料電池単セルの製造方法が提供される。この方法は、（ａ）ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された樹脂フレームとを有するＭＥＧＡプレートと、前記ＭＥＧＡの第１面に接して配置されるとともに、前記樹脂フレームの第１面側に配置される第１セパレータと、前記ＭＥＧＡの第２面に接して配置されるとともに、前記樹脂フレームの第２面側に配置される第２セパレータと、を準備する工程と、（ｂ）前記第１セパレータと、前記ＭＥＧＡプレートと、前記第２セパレータとを積層して前記燃料電池単セルを組み立てる工程と、を備え、前記樹脂フレームの外縁部にはガスマニホールド孔が形成されており、前記樹脂フレームの前記第１面に、前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成するための凹凸状のガス流路形成部が形成されており、前記樹脂フレームの前記第２面に、前記ガスマニホールド孔の周囲を取り囲んで前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着する熱可塑性接着部が、前記ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、前記熱可塑性接着部は第１樹脂によって形成されており、前記ガス流路形成部は前記第１樹脂よりも融点の高い第２樹脂によって形成されており、前記工程（ｂ）は、前記積層の後に前記第１セパレータと前記第２セパレータの外側から、前記樹脂フレームの前記ガス流路形成部と前記熱可塑性接着部を圧縮するとともに、前記熱可塑性接着部の融点以上で、かつ、前記ガス流路形成部の融点よりも低い温度で前記ガス流路形成部と前記熱可塑性接着部を加熱し、前記熱可塑性接着部を溶融させて前記第２セパレータに接着した溶融接着部を形成する工程を含む。
この形態の燃料電池単セルの製造方法によれば、燃料電池単セルを組み立てるに当たり、ガス流路形成部と熱可塑性接着部を圧縮するとともに、熱可塑性接着部の融点以上で、かつ、ガス流路形成部の融点より低い温度で加熱するので、ガス流路形成部の溶融や変形を抑制でき、ガス流路形成部のガス流路が塞がる可能性を低減できる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池システム、燃料電池車両、燃料電池車両の製造方法等の形態で実現することができる。
本発明の第１実施形態の燃料電池単セルを分解して示す説明図。 ＭＥＧＡプレートの平面図。 樹脂フレームの外枠と内枠を示す説明図。 第１実施形態のＭＥＧＡプレートの断面図。 燃料電池単セルの製造方法を示す説明図。 第２実施形態のＭＥＧＡプレートの断面図。 第３実施形態のＭＥＧＡプレートの断面図。 第３実施形態のガス流路形成部を外枠に接合する様子を示す説明図。
・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池単セル１４０を分解して示す説明図である。燃料電池単セル１４０は、例えば固体高分子形燃料電池である。この燃料電池単セル１４０が複数積層された燃料電池スタックは、例えば動力源として燃料電池車両に搭載される。本明細書では、燃料電池単セル１４０の積層方向をＸ方向とし、水平方向をＺ方向とする。なお、積層方向Ｘと水平方向Ｚに垂直な方向は鉛直方向Ｙである。
燃料電池単セル１４０は、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）３０と、ＭＥＧＡ３０の周囲に接合された樹脂フレーム３１とを有するＭＥＧＡプレート３５を、第１セパレータ５０及び第２セパレータ４０によって両側から挟持した構成を有する。第１実施形態では、第１セパレータ５０をアノード側セパレータとし、第２セパレータ４０をカソード側セパレータとする。また、ＭＥＧＡ３０の両面のうち、第１セパレータ５０に接する第１面３０ａはアノード電極を構成し、第２セパレータ４０に接する第２面３０ｃはカソード電極を構成する。但し、アノード側とカソード側を逆にしてもよい。
第１セパレータ５０は、ＭＥＧＡ３０の第１面３０ａに接して配置され、樹脂フレーム３１の第１面３１ａ側に配置される。また、第１セパレータ５０は、第１溶融接着部８１によって樹脂フレーム３１の第１面３１ａに接合される。第１セパレータ５０の両面のうち、ＭＥＧＡプレート３５に接する面５１ａには、筋状の凹凸によってアノードガス流路５２が形成され、その反対側の冷却面５１ｃには、アノードガス流路５２の裏側の位置に冷却媒体流路５４が形成されている。また、この冷却面５１ｃには、燃料電池単セル１４０が複数積層される際に隣接する燃料電池単セル１４０の第２セパレータ４０に接触して、冷却媒体をシールするシールガスケット８３が形成されている。第２セパレータ４０は、ＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃに接して配置され、樹脂フレーム３１の第２面３１ｃ（第１面３１ａの裏面）側に配置される。また、第２セパレータ４０は、第２溶融接着部８２によって樹脂フレーム３１の第２面３１ｃに接合される。第２セパレータ４０の両面のうち、ＭＥＧＡプレート３５に接する面４１に、筋状の凹凸によってカソードガス流路４２が形成されている。なお、第１セパレータ５０、ＭＥＧＡプレート３５及び第２セパレータ４０それぞれの外縁部に、ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４と、冷却媒体マニホールド孔８４，８５とが形成されている。
図２は、ＭＥＧＡプレート３５の平面図である。樹脂フレーム３１は、全体として矩形枠状の形状を有しており、ＭＥＧＡ３０の周囲に接合された矩形枠状の内枠３３と、内枠３３の周囲に接合された外枠３２とを有する。ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４は、樹脂フレーム３１の４つの角の位置にそれぞれ形成されており、この例では外枠３２の四隅に形成されている。２つの第１ガスマニホールド孔６２，６４は、樹脂フレーム３１の第１対角線Ｄ１上の一対の対角に形成されている。２つの第２ガスマニホールド孔７２，７４は、第１対角線Ｄ１と交差する第２対角線Ｄ２上の他の一対の対角に形成されている。なお、第１実施形態では、アノードガスは、ガス供給用の第１ガスマニホールド孔６２からＭＥＧＡ３０のアノード側（第１面３０ａ）に流れ込み、アノードガス流路５２（図１）を通過した後、ガス排出用の第１ガスマニホールド孔６４に集められて燃料電池単セル１４０（図１）の外部に排出される。カソードガスは、ガス供給用の第２ガスマニホールド孔７２からＭＥＧＡ３０のカソード側（第２面３０ｃ）に流れ込み、カソードガス流路４２（図１）を通過した後、ガス排出用の第２ガスマニホールド孔７４に集められて燃料電池単セル１４０の外部に排出される。
樹脂フレーム３１の第１面３１ａには、アノードガスを通過させるための凹凸状の２つの第１ガス流路形成部３４Ｔが形成されている。図示の便宜上、Ｘ方向に突出している部分はハッチングされている。２つの第１ガス流路形成部３４Ｔのうちの一方は、ガス供給用の第１ガスマニホールド孔６２とＭＥＧＡ３０の第１面３０ａとの間のガス流路を形成し、他方はガス排出用の第１ガスマニホールド孔６４とＭＥＧＡ３０の第１面３０ａとの間のガス流路を形成している。
樹脂フレーム３１の第２面３１ｃには、カソードガスを通過させるための凹凸状の２つの第２ガス流路形成部３４Ｂが形成されている。２つの第２ガス流路形成部３４Ｂは、２つの第１ガス流路形成部３４Ｔと同一の形状及び寸法を有している。２つの第２ガス流路形成部３４Ｂのうちの一方は、ガス供給用の第２ガスマニホールド孔７２とＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃとの間のガス流路を形成し、他方はガス排出用の第２ガスマニホールド孔７４とＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃとの間のガス流路を形成している。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡプレート３５を積層方向Ｘに沿って投影して観察したとき、２つの第１ガス流路形成部３４Ｔと２つの第２ガス流路形成部３４Ｂとが互いに重ならない位置に形成されている。こうすれば、２枚のセパレータ４０，５０を外側から圧縮して燃料電池単セル１４０を組み立てる際、セパレータ４０，５０にかかる圧力を分散でき、燃料電池単セル１４０の変形を抑制できる。但し、第１ガス流路形成部３４Ｔと第２ガス流路形成部３４Ｂの一部又は全部を互いに重なる位置に配置してもよい。
樹脂フレーム３１の第１面３１ａには、更に、第１溶融接着部８１が一体に形成されている。第１溶融接着部８１もＸ方向に突出しているのでハッチングされている。第１溶融接着部８１は、２つの第２ガスマニホールド孔７２，７４のそれぞれの周囲を取り囲んでこれらの第２ガスマニホールド孔７２，７４とＭＥＧＡ３０の第１面３０ａとの間のカソードガスの流通を遮断するとともに、樹脂フレーム３１と第１セパレータ５０（図１）とを接着する。第１溶融接着部８１は、更に、２つの第２ガス流路形成部３４Ｂの裏側の位置を通過するように設けられている。また、第１溶融接着部８１は、冷却媒体をシールするために、冷却媒体マニホールド孔８４，８５のそれぞれを取り囲んでいる。更に、第１溶融接着部８１は、アノードガスをシールするために、２つの第１ガスマニホールド孔６２，６４及びＭＥＧＡ３０の第１面３０ａを包含するアノードガス流路領域を取り囲むように設けられている。なお、第１溶融接着部８１は、２つの第１ガスマニホールド孔６２，６４のそれぞれと、ＭＥＧＡ３０の第１面３０ａとの間のガスの流通を遮断しないようにするために、これらの間には形成されていない。
樹脂フレーム３１の第２面３１ｃには、第２溶融接着部８２が一体に形成されている。第２溶融接着部８２は、第１溶融接着部８１を左右回転した形状を有する。すなわち、第２溶融接着部８２は、２つの第１ガスマニホールド孔６２，６４のそれぞれを取り囲んでこれらの第１ガスマニホールド孔６２，６４とＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃとの間のアノードガスの流通を遮断するとともに樹脂フレーム３１と第２セパレータ４０（図１）とを接着し、２つの第１ガス流路形成部３４Ｔの裏側の位置を通過するように形成されている。また、第２溶融接着部８２は、冷却媒体をシールするために、冷却媒体マニホールド孔８４，８５のそれぞれを取り囲んでいる。更に、第２溶融接着部８２は、カソードガスをシールするために、２つの第２ガスマニホールド孔７２，７４及びＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃを包含するカソードガス流路領域を取り囲むように設けられている。なお、第２溶融接着部８２は、２つの第２ガスマニホールド孔７２，７４のそれぞれと、ＭＥＧＡ３０の第２面３０ｃとの間のガスの流通を遮断しないようにするために、これらの間には形成されていない。
なお、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂと溶融接着部８１，８２は、互いに異なる樹脂によって形成されている。例えば、溶融接着部８１，８２は、無水マレイン酸変性ポリプロピレン（変性ＰＰ）を含む接着性の熱可塑性樹脂等の樹脂によって形成されることが可能であり、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂは、ポリプロピレン（ＰＰ）と、ポリエチレン（ＰＥ）と、エチレンプロピレンジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）との一部又は全部を含むオレフィン系樹脂等の樹脂によって形成されることが可能である。また、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂを形成する第１樹脂の融点は、溶融接着部８１，８２を形成する第２樹脂の融点よりも高くなるように、これらの樹脂材料が選択される。
図３は、樹脂フレーム３１を外枠３２と内枠３３に分解して示す説明図である。図３（ａ）は外枠３２の平面図である。この例では、外枠３２は、第１溶融接着部８１及び第２溶融接着部８２と同一材料で一体成形されている。外枠３２の中央には、内枠３３が嵌め込まれる開口部３２Ｐが設けられている。この開口部３２Ｐと２つの第１ガスマニホールド孔６２，６４の間には、外枠３２が切り欠かれた切欠部３６Ｔがそれぞれ設けられている。これらの切欠部３６Ｔは第１ガス流路形成部３４Ｔの側面と接した状態で第１ガス流路形成部３４Ｔと接合される。この接合後の状態において、第１ガス流路形成部３４Ｔの裏側には、第２溶融接着部８２の底面が接合されている。また、開口部３２Ｐと２つの第２ガスマニホールド孔７２，７４の間にも、外枠３２が切り欠かれた切欠部３６Ｂがそれぞれ設けられている。これらの切欠部３６Ｂは第２ガス流路形成部３４Ｂの側面と接した状態で第２ガス流路形成部３４Ｂと接合される。この接合後の状態において、第２ガス流路形成部３４Ｂの裏側には、第１溶融接着部８１の底面が接合されている。
図３（ｂ）は内枠３３の平面図である。内枠３３の中央には、ＭＥＧＡ３０が接合されるＭＥＧＡ開口部３０Ｐが形成されている。また、この例では、内枠３３は、２つの第１ガス流路形成部３４Ｔ及び２つの第２ガス流路形成部３４Ｂと同一材料で一体成形されている。なお、第１ガス流路形成部３４Ｔには、凹状の溝であるガスガイド流路５２ｒが形成されている。同様に、第２ガス流路形成部３４Ｂにも、凹状の溝であるガスガイド流路４２ｒが形成されている。これらのガスガイド流路５２ｒ，４２ｒは、それぞれ２本以上の複数本が形成されていることが好ましいが、図示の便宜上、図３では２本のみを描いている。なお、溶融接着部８１，８２と外枠３２とを同一の第１樹脂で一体成形し、また、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂと内枠３３とを第１樹脂とは異なる第２樹脂で一体成形する場合には、二色成形法を用いて樹脂フレーム３１（図２）を形成することが可能である。
図４は、図２に示すＭＥＧＡプレート３５の４ａ−４ａ断面と、４ｂ−４ｂ断面と、４ｃ−４ｃ断面とを示す説明図である。ここでは、燃料電池単セル１４０を組み立てる前の状態を示している。燃料電池単セル１４０を組み立てる前の状態では、図２に示す第１溶融接着部８１及び第２溶融接着部８２は、未だ溶融していないので、それらを第１熱可塑性接着部８１ｔ及び第２熱可塑性接着部８２ｔと呼ぶ。
図４（ａ）に示すように、第１ガス流路形成部３４Ｔは凹凸状の形状を有し、アノードガス用のガスガイド流路５２ｒを形成している。この例では、第１ガス流路形成部３４Ｔは、樹脂フレーム３１（図２）の内枠３３と同一材料で一体成形されている。また、第１ガス流路形成部３４Ｔの裏側の位置を第２熱可塑性接着部８２ｔが通過している。図４（ｂ）に示すように、熱可塑性接着部８１ｔ，８２ｔは、樹脂フレーム３１の外枠３２と同一材料で一体成形されている。外枠３２と接合されている内枠３３の端部３３ｅは、外枠３２に包容された状態で接合されていることが好ましい。こうすると、内枠３３の端部３３ｅの３つの端面が外枠３２と接触しているので、内枠３３と外枠３２が強く接合される。図４（ｃ）に示すように、第２ガス流路形成部３４Ｂは凹凸状の形状を有し、カソードガス用のガスガイド流路４２ｒを形成している。第２ガス流路形成部３４Ｂは、樹脂フレーム３１の内枠３３と同一材料で一体成形されている。また、第２ガス流路形成部３４Ｂの裏側の位置を第１熱可塑性接着部８１ｔが通過している。
図４に示すように、内枠３３と接合されたＭＥＧＡ３０は、電解質膜１０の両面に形成された電極触媒層１１，１２を両側からガス拡散層２１，２２によって挟んだ構成を有する。この例では、第１電極触媒層１１は第２電極触媒層１２よりも一回り大きく、第１ガス拡散層２１は第２ガス拡散層２２よりも一回り大きい。但し、第１電極触媒層１１と第２電極触媒層１２は同じ大きさを有してもよいし、第１ガス拡散層２１と第２ガス拡散層２２は同じ大きさを有してもよい。第１実施形態では、第１電極触媒層１１はアノード電極触媒層であり、第２電極触媒層１２はカソード電極触媒層である。ＭＥＧＡ３０は、電解質膜１０の両面のうち、第１電極触媒層１１と接している面の反対側の面が、樹脂フレーム３１（図２）の内枠３３と接着剤によって接合されている。
なお、内枠３３のヤング率は、外枠３２のヤング率よりも小さくすることが好ましい。こうすれば、内枠３３が弾性変形し易いので、燃料電池単セル１４０（図１）が温度差の大きな環境下で使用される場合に、セパレータ４０，５０（図１）や外枠３２に生じる応力を内枠３３によって緩和することができ、内枠３３に接合されたＭＥＧＡ３０の電解質膜１０が引張応力によって破断する可能性を低減することができる。
図５は、燃料電池単セル１４０の製造方法を示す説明図であり、図４（ａ）の断面を用いて説明する。まず、ＭＥＧＡプレート３５と、第１セパレータ５０と、第２セパレータ４０とを準備する。セパレータ４０，５０は、例えば金属板を用いてプレス成形によって各ガス流路４２，５２及び冷却媒体流路５４を形成したプレス成形板である。但し、図５ではセパレータ４０，５０の凹凸は省略している。
図５（ａ）に示すように、準備された第１セパレータ５０と、ＭＥＧＡプレート３５と、第２セパレータ４０とを積層して積層体を形成する。次に、第１治具２１０を第１セパレータ５０外側の第１ガス流路形成部３４Ｔに相当する位置に当接させ、第２治具２２０を第２セパレータ４０外側の第２熱可塑性接着部８２ｔに相当する位置に当接させる。白抜きの矢印で示すように、治具２１０，２２０で挟んだ状態で第１ガス流路形成部３４Ｔと第２熱可塑性接着部８２ｔを圧縮する。この際、治具２１０，２２０を図示しないヒーターで加熱することによって、第２熱可塑性接着部８２ｔの融点以上で、かつ、第１ガス流路形成部３４Ｔの融点より低い温度で第１ガス流路形成部３４Ｔと第２熱可塑性接着部８２ｔを加熱する。例えば、第２熱可塑性接着部８２ｔの融点が１３５℃であり、第１ガス流路形成部３４Ｔの融点が１６０℃である場合、加熱温度は１３５℃以上で１６０℃未満である（熱喪失を考慮せず）。こうすると、図５（ｂ）に示すように、第２熱可塑性接着部８２ｔを溶融させて第２セパレータ４０に接着した第２溶融接着部８２を形成することができる。これにより、ＭＥＧＡプレート３５と第２セパレータ４０とを接着することができる。同様に、図４（ｃ）に示した第２ガス流路形成部３４Ｂと第１熱可塑性接着部８１ｔを同様に圧縮して加熱することによって、第１溶融接着部８１を形成し、ＭＥＧＡプレート３５と第１セパレータ５０とを接着することができる。最後に、例えば接着剤を用いてシールガスケット８３を第１セパレータ５０の外側の冷却面５１ｃに接着する。これにより、燃料電池単セル１４０の組み立てが完了する。なお、シールガスケット８３は、燃料電池単セル１４０の積層方向に投影して観察したとき、第１ガス流路形成部３４Ｔと重なる位置を通過していることが好ましい。こうすれば、燃料電池単セル１４０を複数積層するとき、シールガスケット８３にかかる圧力の一部を第１ガス流路形成部３４Ｔで受けることができ、燃料電池単セル１４０の変形を抑制できる。
以上に説明したように、第１実施形態では、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂの融点が熱可塑性接着部８１ｔ，８２ｔ（溶融接着部８１，８２）の融点よりも高いので、燃料電池単セル１４０を組み立てるに当たり、ガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂが過度に溶融や変形することなく、ガスガイド流路５２ｒ，４２ｒ（ガス流路）が塞がる可能性を低減できる。
・第２実施形態：
図６は、第２実施形態を示す説明図であり、第１実施形態の図４に対応する図である。図示の便宜上、ＭＥＧＡ３０を省略している。図４に示す第１実施形態との違いは、ガス流路形成部３４Ｔａ，３４Ｂａを形成する材料のみであり、他の構成は第１実施形態と同様である。図６（ａ）と図６（ｃ）に示すように、ガス流路形成部３４Ｔａ，３４Ｂａは、樹脂フレーム３１（図２）の内枠３３と別材料で形成されている。なお、ガス流路形成部３４Ｔａ，３４Ｂａと、内枠３３と、熱可塑性接着部８１ｔ，８２ｔが一体成形された外枠３２とを有する樹脂フレーム３１は、例えば三色成形法によって形成することも可能である。
第２実施形態においても、ガス流路形成部３４Ｔａ，３４Ｂａの融点が、熱可塑性接着部８１ｔ，８２ｔ（溶融接着部８１，８２）の融点よりも高くなるように、これらの樹脂材料が選択されている。従って、第１実施形態と同様に、燃料電池単セル１４０を組み立てるに当たり、ガス流路形成部３４Ｔａ，３４Ｂａが過度に溶融や変形することなく、ガスガイド流路５２ｒ，４２ｒが塞がる可能性を低減できる。
・第３実施形態：
図７は、第３実施形態を示す説明図であり、第２実施形態の図６に対応する図である。図６に示す第２実施形態との違いは、ガス流路形成部３４Ｔｂ，３４Ｂｂの樹脂フレーム３１（図２）の外枠３２との接合方法のみであり、他の構成は第２実施形態と同様である。
図８は、図７（ａ）の断面を例示して、第１ガス流路形成部３４Ｔｂを外枠３２に接合する様子を示す説明図である。図８（ａ）に示すように、まず、内枠３３と、第２熱可塑性接着部８２ｔが一体成形された外枠３２とを二色成形法で作製する。次に、第１ガス流路形成部３４Ｔｂを別途に成形する。そして、別途で成形した第１ガス流路形成部３４Ｔｂを外枠３２に当接させ、熱処理又は接着剤によって第１ガス流路形成部３４Ｔｂを外枠３２に接合させると、図８（ｂ）の断面が得られる。この例から理解できるように、樹脂フレームはその全体が一体成形されている必要はなく、複数の部材を別個に成形した後に互いに接合するようにしてもよい。
・変形例：
なお、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
・変形例１：
上記実施形態では、樹脂フレーム３１に、合計４つのガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂと、２つ溶融接着部８１，８２が形成されているが、これらのガス流路形成部３４Ｔ，３４Ｂと溶融接着部８１，８２の一部を省略してもよい。この場合、樹脂フレーム３１の両面のうちで溶融接着部が設けられない面に接するセパレータは、例えば他の接着剤や接着部によって樹脂フレーム３１に接合されてもよく、あるいは、樹脂フレーム３１と接合しなくてもよい。但し、樹脂フレーム３１の両面のうちの一方の面（第１面）に少なくとも１つのガス流路形成部を設け、その裏面に溶融接着部を設けることが好ましい。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…電解質膜
１１…第１電極触媒層
１２…第２電極触媒層
２１…第１ガス拡散層
２２…第２ガス拡散層
３０…ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
３０Ｐ…ＭＥＧＡ開口部
３０ａ…第１面
３０ｃ…第２面
３１…樹脂フレーム
３１ａ…第１面
３１ｃ…第２面
３２…外枠
３２Ｐ…開口部
３３…内枠
３３ｅ…端部
３４Ｂ，３４Ｂａ，３４Ｂｂ…第２ガス流路形成部
３４Ｔ，３４Ｔａ，３４Ｔｂ…第１ガス流路形成部
３５…ＭＥＧＡプレート
３６Ｔ，３６Ｂ…切欠部
４０…第２セパレータ
４１…面
４２…カソードガス流路
４２ｒ…ガスガイド流路
５０…第１セパレータ
５１ａ…面
５１ｃ…冷却面
５２…アノードガス流路
５２ｒ…ガスガイド流路
５４…冷却媒体流路
６２，６４…第１ガスマニホールド孔
７２，７４…第２ガスマニホールド孔
８１…第１溶融接着部
８１ｔ…第１熱可塑性接着部
８２…第２溶融接着部
８２ｔ…第２熱可塑性接着部
８３…シールガスケット
８４，８５…冷却媒体マニホールド孔
１４０…燃料電池単セル
２１０…第１治具
２２０…第２治具

Claims (6)

  1. 燃料電池単セルであって、
    ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された樹脂フレームと、を有するＭＥＧＡプレートと、
    前記ＭＥＧＡの第１面に接して配置され、前記樹脂フレームの第１面側に配置された第１セパレータと、
    前記ＭＥＧＡの第２面に接して配置され、前記樹脂フレームの第２面側に配置された第２セパレータと、
    を備え、
    前記樹脂フレームの外縁部にはガスマニホールド孔が形成されており、
    前記樹脂フレームの前記第１面には、前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成する凹凸状のガス流路形成部が設けられており、
    前記樹脂フレームの前記第２面には、前記ガスマニホールド孔の周囲を取り囲んで前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着する溶融接着部が、前記ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、
    前記溶融接着部は第１樹脂によって形成されており、前記ガス流路形成部は前記第１樹脂よりも融点の高い第２樹脂によって形成されている、
    燃料電池単セル。
  2. 請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
    前記樹脂フレームは、矩形枠状の形状を有し、
    前記ガスマニホールド孔は、前記樹脂フレームの４つの角の位置に形成され、前記樹脂フレームの一対の対角に形成された２つの第１ガスマニホールド孔と、他の一対の対角に形成された２つの第２ガスマニホールド孔とを含み、
    前記樹脂フレームの前記第１面に設けられた前記ガス流路形成部は、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成する２つの第１ガス流路形成部を含み、
    前記燃料電池単セルには、更に、前記樹脂フレームの前記第２面に、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガス流路を形成する凹凸状の２つの第２ガス流路形成部が設けられており、
    前記樹脂フレームの前記第２面に設けられた前記溶融接着部とは別に、前記樹脂フレームの前記第１面に、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガスの流通を遮断せず、かつ、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれを取り囲んで前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第１セパレータとを接着する第１溶融接着部が、前記２つの第２ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、
    前記樹脂フレームの前記第２面に設けられた前記溶融接着部は、前記２つの第２ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断せず、かつ、前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれを取り囲んで前記２つの第１ガスマニホールド孔のそれぞれと前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着し、前記２つの第１ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成された第２溶融接着部を含み、
    前記第１溶融接着部及び前記第２溶融接着部は前記第１樹脂によって形成されており、前記２つの第１ガス流路形成部及び前記２つの第２ガス流路形成部は前記第２樹脂によって形成されている、
    燃料電池単セル。
  3. 請求項２に記載の燃料電池単セルであって、
    前記燃料電池単セルが複数積層される積層方向に沿って投影して観察したとき、前記２つの第１ガス流路形成部と前記２つの第２ガス流路形成部とが互いに重ならない位置に形成されている、
    燃料電池単セル。
  4. 請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
    前記樹脂フレームは、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された内枠と、前記内枠の周囲に接合された外枠とを含み、
    前記外枠は、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに接合されており、
    前記内枠のヤング率は、前記外枠のヤング率よりも小さい、
    燃料電池単セル。
  5. 請求項１又は請求項４に記載の燃料電池単セルであって、
    前記燃料電池単セルが複数積層される積層方向に沿って投影して観察したとき、前記第１セパレータの両面のうち、前記樹脂フレームの前記第１面側に配置された面と反対側の冷却面に、前記ガス流路形成部と重なる位置を通過するように、前記燃料電池単セルが複数積層される際に当該燃料電池単セルに隣接する他の燃料電池単セルの前記第２セパレータと接触するシールガスケットが形成されている、
    燃料電池単セル。
  6. 燃料電池単セルの製造方法であって、
    （ａ）ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と、前記ＭＥＧＡの周囲に接合された樹脂フレームとを有するＭＥＧＡプレートと、
    前記ＭＥＧＡの第１面に接して配置されるとともに、前記樹脂フレームの第１面側に配置される第１セパレータと、
    前記ＭＥＧＡの第２面に接して配置されるとともに、前記樹脂フレームの第２面側に配置される第２セパレータと、
    を準備する工程と、
    （ｂ）前記第１セパレータと、前記ＭＥＧＡプレートと、前記第２セパレータとを積層して前記燃料電池単セルを組み立てる工程と、
    を備え、
    前記樹脂フレームの外縁部にはガスマニホールド孔が形成されており、
    前記樹脂フレームの前記第１面に、前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第１面との間のガス流路を形成するための凹凸状のガス流路形成部が形成されており、
    前記樹脂フレームの前記第２面に、前記ガスマニホールド孔の周囲を取り囲んで前記ガスマニホールド孔と前記ＭＥＧＡの前記第２面との間のガスの流通を遮断するとともに前記樹脂フレームと前記第２セパレータとを接着する熱可塑性接着部が、前記ガス流路形成部の裏側の位置を通過するように形成されており、
    前記熱可塑性接着部は第１樹脂によって形成されており、前記ガス流路形成部は前記第１樹脂よりも融点の高い第２樹脂によって形成されており、
    前記工程（ｂ）は、前記積層の後に前記第１セパレータと前記第２セパレータの外側から、前記樹脂フレームの前記ガス流路形成部と前記熱可塑性接着部を圧縮するとともに、前記熱可塑性接着部の融点以上で、かつ、前記ガス流路形成部の融点よりも低い温度で前記ガス流路形成部と前記熱可塑性接着部を加熱し、前記熱可塑性接着部を溶融させて前記第２セパレータに接着した溶融接着部を形成する工程を含む、
    燃料電池単セルの製造方法。
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