JP7276206B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層したスタック構造を有し、積層された単セル間に冷媒流路が設けられる。そのため、各単セル内、および、隣接する単セル間には、反応ガスあるいは冷媒をシールするためのシール構造が設けられる。隣接する単セル間に設けられるシール構造としては、ガスマニホールド孔を囲むガスケットと、冷媒マニホールド孔を含む領域を囲むガスケットと、を備えるシール構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。上記したシール構造では、ガスマニホールド孔を囲むガスケットと冷媒マニホールドを囲むガスケットとが設けられることにより、ガスマニホールド孔と冷媒マニホールド孔とが近接する部位では、上記２つのガスケットが並んで延びるように形成される。

特開２０１７－１１７５２１号公報

このように、ガスセパレータの外表面上にガスケットが設けられる燃料電池において、ガスセパレータの外表面側からの加熱によって、ガスケットと積層方向に重なる位置にセル内のシール部を形成しようとすると、シール部の形成のための入熱がガスケットによって抑えられて、シール部におけるシール性が不十分になる可能性があった。特に、上記したように、２つのガスケットが並んで形成される部位では、シール部の形成のための入熱不足が生じ易い。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の第１の形態の燃料電池は、複数の単セルが積層された燃料電池であって、前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のガスセパレータと、前記一対のガスセパレータの間において、前記一対のガスセパレータと接着する線状のシール部と、を備える。前記燃料電池は、隣り合う前記単セルの間に設けられたガスケットと、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通し、前記膜電極接合体と前記ガスセパレータとの間で反応ガスが流れるセル内ガス流路に連通する第１マニホールドと、前記第１マニホールドに隣接して設けられ、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通して、隣り合う前記単セルの間で冷媒が流れるセル間冷媒流路に連通する第２マニホールドと、前記膜電極接合体が備える電極が配置される領域と前記積層方向に重なり、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドに対して、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの隣接方向に垂直な方向に配置される発電領域と、を備える。前記シール部は、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記ガスセパレータの外周に沿って設けられ、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドと前記発電領域とを囲む第１のシール部と、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドと前記発電領域との間を前記隣接方向に沿って延び、各端部が前記第１のシール部と接する第２のシール部と、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間を前記隣接方向と垂直な方向に沿って延び、各端部がそれぞれ前記第１のシール部と前記第２のシール部とに接する第３のシール部と、を有する。前記ガスケットは、前記第１マニホールドの外周を囲むように配置されて前記第１マニホールドをシールする第１ガスケットと、前記第２マニホールドおよび前記セル間冷媒流路をシールする第２ガスケットと、を備える。前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間では、前記第１マニホールドから前記第２マニホールドに向かって、前記第１ガスケット、前記第３のシール部、前記第２ガスケット、の順に配置されている。

（１）本開示の一形態によれば、複数の単セルが積層された燃料電池が提供される。前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のガスセパレータと、前記一対のガスセパレータの間において、前記一対のガスセパレータと接着する線状のシール部と、を備え、前記燃料電池は、隣り合う前記単セルの間に設けられたガスケットと、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通し、前記膜電極接合体と前記ガスセパレータとの間で反応ガスが流れるセル内ガス流路に連通する第１マニホールドと、前記第１マニホールドに隣接して設けられ、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通して、隣り合う前記単セルの間で冷媒が流れるセル間冷媒流路に連通する第２マニホールドと、を備え、前記ガスケットは、前記第１マニホールドの外周を囲むように配置されて前記第１マニホールドをシールする第１ガスケットと、前記第２マニホールドおよび前記セル間冷媒流路をシールする第２ガスケットと、を備え、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間では、前記第１マニホールドから前記第２マニホールドに向かって、前記第１ガスケット、前記シール部、前記第２ガスケット、の順に配置されている。
この形態の燃料電池によれば、単セル内のシール部を加熱しながら形成する場合に、シール部を形成すべき場所に対する入熱がガスケットによって妨げられることを抑えることができる。その結果、シール部のシール強度を高めることが容易になり、燃料電池のシール部のシール性を向上させることができる。
（２）上記形態の燃料電池において、前記単セルは、前記一対のガスセパレータ間において、前記膜電極接合体の外周部に接合された絶縁シートを備え、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドは、前記絶縁シートと前記ガスセパレータとが積層される部分を貫通するように形成されており、前記シール部は、前記絶縁シートの一部であることとしてもよい。この形態の燃料電池によれば、膜電極接合体の外周部に接合された絶縁シートを用いて、一対のガスセパレータと接着する線状のシール部を形成することができる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法、燃料電池用の単セル、単セルの製造方法、あるいは、燃料電池におけるシール部の配置方法等の形態で実現することができる。

単セルの構成の概略を表わす分解斜視図。 単セルの概略構成を表わす断面模式図。 第２ガスセパレータの平面図。 燃料電池の製造方法を表わす工程図。 金型を用いて加熱プレスを行なう様子を模式的に表わす断面図。

Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、本開示の第１実施形態としての燃料電池が備える燃料電池セル（単セル）１００の構成の概略を表わす分解斜視図である。なお、図１および後述する各図は、本実施形態の燃料電池の各部の様子を模式的に示しているため、図に示された各部のサイズは、具体的なサイズを表わすものではない。本実施形態の燃料電池は、単セル１００を複数積層したスタック構造を有している。本実施形態の燃料電池は、固体高分子形燃料電池であるが、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池とすることもできる。単セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１８（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly１８、以後、ＭＥＧＡ１８とも呼ぶ）と、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０と、樹脂シート２５と、を備えている。

ＭＥＧＡ１８は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された触媒電極層であるアノードおよびカソードと、を備える膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以後、ＭＥＡとも呼ぶ）、および、ＭＥＡを挟持する一対のガス拡散層を備える。樹脂シート２５は、ＭＥＡの外周部を囲んで、ＭＥＡを保持している。ＭＥＡと樹脂シート２５とが接合された構造は、「シート接合体３０」とも呼ぶ。本実施形態では、樹脂シート２５は、ＭＥＧＡ１８と接合されており、本実施形態のシート接合体３０は、ガス拡散層を備える。シート接合体３０は、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０によって挟持される。ＭＥＧＡ１８において、電解質膜上にアノードが形成される側の面は第１ガスセパレータ４０と対向しており、ＭＥＧＡ１８と第１ガスセパレータ４０との間には、燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路が形成される。ＭＥＧＡ１８において、電解質膜上にカソードが形成される側の面は第２ガスセパレータ５０と対向しており、ＭＥＧＡ１８と第２ガスセパレータ５０との間には、酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路が形成される。

ＭＥＧＡ１８において、電解質膜は、高分子電解質材料、例えばフッ素樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。アノードおよびカソードは、気孔を有する多孔質体であり、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性粒子、例えばカーボン粒子を、プロトン伝導性を有する高分子電解質で被覆して形成される。ガス拡散層は、ガス透過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、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材、あるいは、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。ＭＥＧＡ１８は、例えば、ＭＥＡとガス拡散層とをプレス接合することにより得られる。

樹脂シート２５は、熱可塑性樹脂等の樹脂を用いて形成されており、外形が矩形の枠状に成形されている。樹脂シート２５は、中央の開口部２５ａを塞ぐようにＭＥＡ（ＭＥＧＡ１８）を配置して、ＭＥＡを保持している。また、図１に示すように、樹脂シート２５には複数のスリット部３９が設けられている。これらのスリット部３９は、既述したセル内燃料ガス流路あるいはセル内酸化ガス流路と、単セル１００を備える燃料電池の内部に形成される後述するガスマニホールドと、を連通させるための構造である。樹脂シート２５は、「絶縁シート」とも呼ぶ。

樹脂シート２５は、例えば、少なくとも第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０と接着される表面において、官能基の導入により接着性が付与された変成ポリプロピレン等の変成ポリオレフィン（例えば、三井化学株式会社製のアドマー；アドマーは登録商標）を備えるシートとすることができる。樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０との間を、加熱により接着可能であれば、樹脂シート２５を、上記とは異なる材料により形成してもよい。

本実施形態において、樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０との間が接着されているとは、加熱プレスにより、樹脂シート２５の表面と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の表面との間で化学反応が進行した結果、水素結合や共有結合が形成されることをいう。樹脂シート２５において、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０と接着された部位は、単セル１００内の流体の流路をシールする。樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０とが接着された部位の配置については、後に詳しく説明する。

第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０は、矩形の板状部材である。第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボン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、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。図１では、反応ガスの流路や冷媒の流路を形成するために第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の表面に形成される凹凸形状については、記載を省略している。

図１では、ＭＥＡや第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０を含む部材の積層方向（単セル１００の積層方向でもあり、単に積層方向とも呼ぶ）を、Ｚ方向として示している。また、図１では、積層方向に垂直な方向、すなわち、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の面に平行な方向であって、互いに垂直な２方向を、Ｘ方向およびＹ方向として示している。第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０、並びに樹脂シート２５には、各々の外周近傍において、積層方向に互いに重なる位置に、マニホールドを形成するためのマニホールド孔３１～３６が設けられている。第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０並びに樹脂シート２５の外周の４辺のうち、Ｙ方向に延びる２辺の一方に沿って、マニホールド孔３１～３３が形成されており、Ｙ方向に延びる２辺の他方に沿って、マニホールド孔３４～３６が形成されている。

マニホールドとは、燃料電池を積層方向に貫通し、単セル１００内に形成されるセル内ガス流路、あるいは、隣り合う単セル１００の間に形成されるセル間冷媒流路に連通し、反応ガスまたは冷媒が流通する流路である。具体的には、マニホールド孔３１，３６は、セル内酸化ガス流路に連通する酸化ガスマニホールドを形成し、マニホールド孔３３，３４は、セル内燃料ガス流路に連通する燃料ガスマニホールドを形成する。また、マニホールド孔３２，３５は、セル間冷媒流路に連通する冷媒マニホールドを形成する。上記酸化ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドは、「第１マニホールド」とも呼び、冷媒マニホールドは、「第２マニホールド」とも呼ぶ。また、ガスマニホールドを形成するマニホールド孔３１，３３，３４，３６は、「第１マニホールド孔」とも呼び、冷媒マニホールドを形成するマニホールド孔３２，３５は、「第２マニホールド孔」とも呼ぶ。樹脂シート２５において、マニホールド孔３１，３３，３４，４６の各々と、中央の開口部２５ａとの間には、既述したスリット部３９が設けられている。

第２ガスセパレータ５０において、シート接合体３０に接する面の裏側の面には、ガスケットが配置されている。ガスケットは、隣り合う単セル１００間（以下、単に「セル間」とも呼ぶ）の流体流路をシールする。ガスケットは、弾性体により構成することができる。用いる弾性体としては、例えば、ゴム、あるいは熱可塑性エラストマを挙げることができる。ガスケットの配置については、後に詳しく説明する。

Ｂ．シール部およびガスケットの配置：
図２は、単セル１００の概略構成を表わす断面模式図であり、図３は、第２ガスセパレータ５０の平面図である。図３に示すＸ、Ｙ、Ｚ方向は、図１に示すＸ、Ｙ、Ｚ方向に対応する。図３は、第２ガスセパレータ５０をＺ方向から見た様子を表わしており、図３では、隣り合う他の単セルに対向する面、すなわち、セル間冷媒流路が形成される面を示している。図３において、図２の断面に対応する位置を、２－２断面として示している。

図２に示すように、単セル１００は、第２ガスセパレータ５０上に設けられる既述したガスケットとして、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２を備える。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、各々の第２ガスセパレータ５０において、積層方向に互いに重なる位置に設けられている。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２における積層方向に突出する先端部であるリップが、隣り合う単セル１００の第１ガスセパレータ４０と接触して、積層方向に押圧力が加えられ、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２で反力が生じることにより、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２はセル間の流体流路をシールする。

図２に示すように、単セル１００が備える樹脂シート２５には、樹脂シート２５を、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０と接着して形成された箇所であるシール部２６が設けられている。すなわち、シール部２６は、一対のガスセパレータである第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０間において、ＭＥＡよりも単セル１００の外周側に設けられて、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０に接着されている。シール部２６は、各々の単セル１００において、積層方向に互いに重なる位置に設けられている。

図３では、燃料電池を積層方向から見たときの、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２、並びにシール部２６が配置される位置を、第２ガスセパレータ５０上に重ねて示している。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、第２ガスセパレータ５０における図３に表われる表面上に設けられており、図３では、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２が設けられる位置は、太い実線により示されている。シール部２６は、第２ガスセパレータ５０における図３に表われない裏面側に設けられており、図３では、シール部２６が設けられる位置は、太い破線により示されている。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２、並びにシール部２６は、いずれも、第２ガスセパレータ５０の面に沿って線状に形成されている。

図３に示すように、第１ガスケット６０は、第１マニホールド孔であるマニホールド孔３１，３３，３４，３６の外周に沿って配置されて、第１マニホールド孔を囲んでいる。これにより、第１ガスケット６０は、隣り合う単セル１００間において、ガスマニホールドである第１マニホールドをシールする。

図３に示すように、第２ガスケット６２は、第２ガスセパレータ５０上においてセル間冷媒流路が形成される領域、および、第２マニホールド孔であるマニホールド孔３２，３５の全体を囲んでいる。これにより、第２ガスケット６２は、セル間冷媒流路、および、冷媒マニホールドである第２マニホールドを合わせてシールする。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、第１ガスケット６０がシールするガス流路と第２ガスケット６２がシールする冷媒流路とが離間するように、形成されている。

図３に示すように、シール部２６は、シール部２６ａ，２６ｂ，２６ｃを備える。シール部２６ａは、第２ガスセパレータ５０の外周に沿って設けられ、マニホールド孔３１～３６が形成される領域、および、単セル１００内においてＭＥＡが備える電極が配置される領域（以下、電極が配置される領域と積層方向に重なる領域を、発電領域３８とも呼ぶ）の全体を囲んでいる。図３では、発電領域３８を、一点鎖線で囲んで示している。シール部２６ｂは、マニホールド孔３１～３３が形成される領域と発電領域３８との間、および、マニホールド孔３４～３６が形成される領域と発電領域３８との間において、Ｙ方向に延びる線分状に形成されると共に、各々の端部が、シール部２６ａにおけるＹ方向に対向する箇所に接するように形成されている。シール部２６ｃは、マニホールド孔３１と３２の間、マニホールド孔３２と３３の間、マニホールド孔３４と３５の間、および、マニホールド孔３５と３６の間の各々において、Ｘ方向に延びる線分状に形成されると共に、一方の端部がシール部２６ａと接し、他方の端部がシール部２６ｂと接するように形成されている。これにより、マニホールド孔３１～３６および発電領域３８の各々は、個別に、シール部２６によって囲まれる。そして、単セル１００内において、マニホールド孔３１～３６が形成するマニホールド、並びに、セル内燃料ガス流路およびセル内酸化ガス流路は、シール部２６によって、個別にシールされる。

本実施形態の樹脂シート２５には、図１に示すように、各マニホールド孔３１，３３，３４，３６の近傍であって、各マニホールド孔３１，３３，３４，３６とＭＥＧＡ１８との間の領域に、スリット部３９が設けられている。各々のスリット部３９は、マニホールド孔３１，３３，３４，３６の外周近傍からＭＥＧＡ１８の外周近傍に向かって延びる細長い複数の貫通孔であるスリットを備える。各々のスリットは、樹脂シート２５が第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０に挟持されたときに、単セル１００内において、マニホールド孔３１，３３，３４，３６が形成するガスマニホールドと、対応するセル内ガス流路とを連通させる連通流路を形成する。すなわち、スリット部３９によって、マニホールド孔３３，３４はセル内燃料ガス流路と連通され、マニホールド孔３１，３６はセル内酸化ガス流路と連通される。

上記のように第１ガスケット６０および第２ガスケット６２、並びにシール部２６が設けられることにより、本実施形態の燃料電池では、燃料電池を積層方向から見たときに、隣接する第１マニホールド（ガスマニホールド）と第２マニホールド（冷媒マニホールド）との間では、第１マニホールドから第２マニホールドに向かって、第１ガスケット６０、シール部（シール部２６ｃ）、第２ガスケット６２、の順に配置される。ここで、２つのマニホールドが「隣接する」とは、２つのマニホールド間に他の流路が存在しないことをいう。具体的には、燃料電池を積層方向から見たときに、２つのマニホールド間に、他のマニホールド、セル内ガス流路、およびセル間冷媒流路が存在しないことをいう。

図３に示すように、本実施形態では、第２ガスセパレータ５０を積層方向から見たときに、マニホールド孔３１、３３、３４、３６の各々と、これらに近接して設けられた第１ガスケット６０との間、および、マニホールド孔３２、３５の各々と、これらに近接して設けられた第２ガスケット６２との間には、他のシール部材は介在していない。ただし、第２ガスセパレータ５０には、マニホールド孔３１、３３、３４、３６と第１ガスケット６０との間に、マニホールド孔３１、３３、３４、３６の各々を囲む線状凸部５３が形成されている。また、マニホールド孔３２、３５と第２ガスケット６２との間に、マニホールド孔３２、３５の各々を囲む線状凸部５２が形成されている。線状凸部５２，５３は、第２ガスセパレータ５０において、セル間冷媒流路側に凸となるように形成されている。

図２に示すように、第１ガスセパレータ４０には、上記線状凸部５２、５３と積層方向に重なる位置に、セル間冷媒流路側に凸となるように、線状凸部４２、４３が形成されている。複数の単セル１００を積層したときには、一の単セル１００が備える第２ガスセパレータ５０に形成された線状凸部５２、５３の各々の頭頂部と、上記一の単セル１００に隣接する他の単セル１００が備える第１ガスセパレータ４０に形成された線状凸部４２、４３の各々の頭頂部とが、接触する。

さらに、図３に示すように、第２ガスセパレータ５０の外周近傍には、第２ガスセパレータ５０の外周に沿って、シール部２６ａよりも第２ガスセパレータの外周寄りの位置で、シール部２６ａを囲むように、セル間冷媒流路側に凸である線状凸部５４が形成されている。そして、第１ガスセパレータ４０においても、上記線状凸部５４と積層方向に重なる位置に同様の形状の線状凸部が形成されており、複数の単セル１００を積層したときには、これらの線状凸部の頭頂部が接触する（図示せず）。

複数の単セル１００を積層したときには、上記のように、対向する線状凸部の頭頂部が接触すると共に、第２ガスセパレータ５０に形成された第１ガスケット６０および第２ガスケット６２が、第１ガスセパレータ４０に接触して潰れて反力を生じる。上記した各線状凸部を設けることにより、燃料電池を構成する積層体の強度を確保すると共に、各ガスセパレータの傾きを抑えて、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２で生じる反力を均一化することができる。図３では、線状凸部５２～５４が設けられる位置は、細い実線により示されている。

Ｃ．燃料電池の製造方法：
図４は、本実施形態の燃料電池の製造方法を表わす工程図である。以下では、図４に基づいて、シール部の形成に係る工程を説明する。

燃料電池を製造する際には、まず、ＭＥＡ１０を用意する（ステップＳ１００）。そして、シート接合体３０を作製する（ステップＳ１１０）。シート接合体３０は、ＭＥＡ１０の外周部に樹脂シート２５を接合することにより作製する。本実施形態では、樹脂シート２５との接合に先立って、ＭＥＡ１０とガス拡散層とをプレス接合してＭＥＧＡ１８を作製する。そして、ＭＥＧＡの外周部における電解質膜の露出部と、樹脂シート２５の開口部２５ａの内周部とを接合する。

また、一対のガスセパレータである第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０を用意する（ステップＳ１２０）。そして、一方のガスセパレータである第２ガスセパレータ５０の一の面上に、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２を配置する(ステップＳ１３０）。第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、例えば、射出成形により第２ガスセパレータ５０上に形成することができる。あるいは、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、接着剤を用いて第２ガスセパレータ５０上に接着してもよい。

次に、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０によってシート接合体３０を挟持して、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０とシート接合体３０とを、加熱プレスのための金型の間に配置する（ステップＳ１４０）。そして、加熱プレスによりシール部２６を形成し、樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０とを接着して(ステップＳ１５０）、単セル１００を作製する。具体的には、ステップＳ１４０では、第２ガスセパレータ５０における第１ガスケット６０および第２ガスケット６２が設けられる面の裏側の面が、ＭＥＡに対向してシート接合体３０と接するように、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の間に、シート接合体３０を配置する。

図５は、ステップＳ１５０で、金型を用いて上記加熱プレスを行なう様子を模式的に表わす断面図である。図５に示す断面の位置は、図２に示す断面と同じ位置である。本実施形態では、金型として、第１型７０および第２型７１を用いている。ステップＳ１５０で用いる第１型７０は、ヘッド部７２を備える。ヘッド部７２は、図３に示すシール部２６が形成される位置で第２ガスセパレータ５０に接するように設けられている。すなわち、ヘッド部７２は、並んで設けられた第１ガスケット６０および第２ガスケット６２に挟まれる位置で、第２ガスセパレータ５０に接するように、形成されている。

ステップＳ１５０において、第１型７０および第２型７１の間に各部材を配置した後、第１型７０および第２型７１の間に荷重および熱を加えて、樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０とを加熱プレスすることにより、樹脂シート２５において、図３に示す位置に、シール部２６が形成される。

ステップＳ１５０の後、シール部２６が形成された単セル１００を複数積層して積層体と成し（ステップＳ１６０）、得られる積層体全体を積層方向に締結することにより、燃料電池を完成する。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池を積層方向から見たときに、第１マニホールド（マニホールド孔３１，３３，３４，４６が形成するガスマニホールド）と、第２マニホールド（マニホールド孔３２，３５が形成する冷媒マニホールド）との間では、第１マニホールドから第２マニホールドに向かって、第１ガスケット６０、シール部２６、第２ガスケット６２、の順に配置されている。そのため、単セル１００内のシール部２６を加熱しながら形成する場合に、シール部２６を形成すべき場所に対する入熱がガスケットによって妨げられることを抑えることができる。その結果、シール部２６のシール強度を高めることが容易になり、シール部２６のシール性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、単セル１００内のシール構造を、シール部材である樹脂シート２５と第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０とを接着させて形成した線状のシール部２６により構成している。そのため、このシール部２６を形成するために、加熱プレスという簡便な方法を用いることができる。単セル１００内のシール構造を設ける方法として、例えば、一対のガスセパレータ間にシール部材を配置して、このシール部材全体を加熱して硬化させることにより、シール部材とセパレータとの接触面全体を接着させる方法も考えられる。しかしながら、このような方法は、例えば樹脂シート等のシール部材を熱硬化性樹脂によって形成して、樹脂シート全体を加熱して硬化させる必要があり、接着のための工程に比較的長い時間を要することになる。これに対して本実施形態のように、熱可塑性樹脂等の接着性の材料を表面に備えるシール部材をセパレータ間に配置して、加熱プレスにより、金型形状に応じた線状のシール部を形成する場合には、より短時間でシール部を形成することが可能になり、製造工程を効率化することができる。

また、本実施形態によれば、シール部２６よりもマニホールドに近い側にガスケット（第１ガスケット６０あるいは第２ガスケット６２）を設けることにより、シール部２６の剥離を抑えることができる。弾性体により形成される第１ガスケット６０および第２ガスケット６２は、第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の間で、積層方向の押圧力が加えられて反力を生じることによりシールを行なうため、マニホールド内の高圧の流体によりガスセパレータ間を剥離する力が加わる際に、剥離に対する耐性が、接着力によりシール性を実現するシール部２６に比べて強い。そのため、上記配置とすることで、マニホールド内の流体の圧力によって、マニホールド側から第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の間を剥離させる力が加えられても、燃料電池におけるシールの耐久性を高めることができる。

なお、隣り合う第１ガスセパレータ４０および第２ガスセパレータ５０の間を剥離させる力は、マニホールドを流れる流体の圧力以外にも考えられるため、以下に説明する。既述したように、複数の単セル１００を積層した燃料電池を積層方向に見ると、マニホールド（例えばマニホールド孔３４が形成するガスマニホールド）とガスケット（例えば第１ガスケット６０）との間には、第１ガスセパレータ４０に形成された線状凸部４３と、第２ガスセパレータ５０に形成された線状凸部５３と、が接触する接触部が存在する（図２参照）。このような線状凸部４３と線状凸部５３の接触部には、燃料電池が締結されることにより、積層方向に押圧力が加えられる。図２では、接触部を構成する第２ガスセパレータ５０の線状凸部５３に対して、積層方向の力αが加えられる様子を、白抜き矢印で示している。このような力が加えられると、第２ガスセパレータ５０における樹脂シート２５と接する領域から線状凸部５３が立ち上がる部位である部位Ｆを支点として、第２ガスセパレータ５０を樹脂シート２５から剥がす方向の力βが生じる。図２では、上記部位Ｆを矢印で示し、第２ガスセパレータ５０に生じる力βを白抜き矢印で示している。第１ガスセパレータ４０に形成された線状凸部４２と、第２ガスセパレータ５０に形成された線状凸部５２と、が接触する接触部においても同様である。本実施形態では、マニホールド（例えばマニホールド孔３４が形成するガスマニホールドや、マニホールド孔３５が形成する冷媒マニホールド）の外側に、力βを生じる上記接触部が設けられていても、上記接触部よりもさらに外周側に、ガスケット(第１ガスケット６０あるいは第２ガスケット６２）およびシール部２６が、この順に配置されるため、各ガスセパレータが樹脂シート２５から剥離することを抑えることができる。

また、本実施形態によれば、第２ガスセパレータ５０の一の面上において、第１ガスケット６０に囲まれる領域（ガスマニホールドを形成するマニホールド孔３１，３３，３４，３６のいずれかを含む領域）と、第２ガスケット６２に囲まれる領域（冷媒マニホールドを形成するマニホールド孔３２，３５および発電領域３８を含む領域）とが、離間している。すなわち、ガスマニホールドを含み第１ガスケット６０がシールするガス流路と、冷媒マニホールドおよびセル間冷媒流路を含み第２ガスケット６２がシールする冷媒流路とが、互いに離間している。そのため、反応ガスが流れる流路と冷媒が流れる流路との間には、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２と共に、第１ガスケット６０および第２ガスケット６２の間の空間が介在することになる。その結果、ガス流路内を流れるガスが冷媒流路に透過することを抑えることができ、反応ガスに含まれる成分（例えば、燃料ガス中の水素）が、閉じた流路である冷媒流路を流れる冷媒中に蓄積されることを抑えることができる。

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記実施形態では、シール部２６を、加熱プレスにより形成したが、異なる構成としてもよい。例えば、シール部２６は、レーザ照射や超音波照射により形成してもよく、樹脂シート２５を局所的に加熱することにより、線状のシール部２６を形成可能であればよい。これにより、実施形態と同様の効果が得られる。

（Ｄ２）上記実施形態では、シール部２６を形成するためのシール部材として、樹脂シート２５を用いたが、異なる構成としてもよい。例えば、樹脂以外の材料により形成された絶縁シートを用いてもよい。また、樹脂シート２５とは異なる形状のシール部材を用いてシール部２６を形成してもよい。例えば、シール部２６（シール部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）のうちの一部は、シール部２６の他の部分を形成するためのシール部材とは別体のシール部材を用いて形成してもよい。

（Ｄ３）上記実施形態では、ガスマニホールドを形成するマニホールド孔３１，３３，３４，３６の各々は、全周にわたって、第１ガスケット６０およびシール部２６によって囲まれており、冷媒マニホールドを形成するマニホールド孔３２，３５の各々は、全周にわたって、シール部２６によって囲まれるが、異なる構成としてもよい。例えば、第１ガスケット６０は、マニホールド孔３１，３３，３４，３６を全周にわたって囲むのではなく、第１ガスケット６０において不連続な部分が存在してもよく、燃料電池全体として、所望のシール性が確保されていればよい。このような構成としても、ガスマニホールドである第１マニホールドと冷媒マニホールドである第２マニホールドとの間で、第１マニホールドから第２マニホールドに向かって、第１ガスケット、シール部、第２ガスケット、の順に配置することで、実施形態と同様の効果が得られる。

本開示は、上述の実施形態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。

１８…膜電極ガス拡散層接合体、２５…樹脂シート、２５ａ…開口部、２６，２６ａ～２６ｃ…シール部、３０…シート接合体、３１～３６…マニホールド孔、３８…発電領域、３９…スリット部、４０…第１ガスセパレータ、４２，４３…線状凸部、５０…第２ガスセパレータ、５２～５４…線状凸部、６０…第１ガスケット、６２…第２ガスケット、７０…第１型、７１…第２型、７２…ヘッド部、１００…単セル

Claims (4)

1. 複数の単セルが積層された燃料電池であって、
   前記単セルは、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟む一対のガスセパレータと、
   前記一対のガスセパレータの間において、前記一対のガスセパレータと接着する線状のシール部と、
   を備え、
   前記燃料電池は、
   隣り合う前記単セルの間に設けられたガスケットと、
   前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通し、前記膜電極接合体と前記ガスセパレータとの間で反応ガスが流れるセル内ガス流路に連通する第１マニホールドと、
   前記第１マニホールドに隣接して設けられ、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通して、隣り合う前記単セルの間で冷媒が流れるセル間冷媒流路に連通する第２マニホールドと、
   前記膜電極接合体が備える電極が配置される領域と前記積層方向に重なり、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドに対して、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの隣接方向に垂直な方向に配置される発電領域と、
   を備え、
   前記シール部は、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記ガスセパレータの外周に沿って設けられ、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドと前記発電領域とを囲む第１のシール部と、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドと前記発電領域との間を前記隣接方向に沿って延び、各端部が前記第１のシール部と接する第２のシール部と、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間を前記隣接方向と垂直な方向に沿って延び、各端部がそれぞれ前記第１のシール部と前記第２のシール部とに接する第３のシール部と、を有し、
   前記ガスケットは、前記第１マニホールドの外周を囲むように配置されて前記第１マニホールドをシールする第１ガスケットと、前記第２マニホールドおよび前記セル間冷媒流路をシールする第２ガスケットと、を備え、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間では、前記第１マニホールドから前記第２マニホールドに向かって、前記第１ガスケット、前記第３のシール部、前記第２ガスケット、の順に配置されている
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記単セルは、前記一対のガスセパレータ間において、前記膜電極接合体の外周部に接合された絶縁シートを備え、
   前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドは、前記絶縁シートと前記ガスセパレータとが積層される部分を貫通するように形成されており、
   前記シール部は、前記絶縁シートの一部である
   燃料電池。
3. 複数の単セルが積層された燃料電池の製造方法であって、
   膜電極接合体を用意し、
   前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通して反応ガスが流通する第１マニホールドを形成する第１マニホールド孔と、前記第１マニホールド孔に隣接して設けられ、前記燃料電池を前記単セルの積層方向に貫通して冷媒が流通する第２マニホールドを形成する第２マニホールド孔と、が設けられた一対のガスセパレータを用意し、
   前記一対のガスセパレータのうちの一方のガスセパレータの一の面上に、前記第１マニホールド孔の外周を囲むように配置される第１ガスケットと、隣り合う前記単セルの間で冷媒が流れるセル間冷媒流路および前記第２マニホールドを含む冷媒流路をシールする第２ガスケットと、を設け、
   前記一方のガスセパレータにおける前記第１ガスケットおよび前記第２ガスケットが設けられる面の裏側の面が前記膜電極接合体に対向するように、前記一対のガスセパレータの間に、前記膜電極接合体と、前記膜電極接合体よりも前記単セルの外周側に配置されるシール部材と、を配置し、
   前記シール部材と前記一対のガスセパレータとを加熱プレスにより接着させて、前記シール部材と前記一対のガスセパレータとが接着されたシール部を線状に形成し、
   前記シール部は、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記ガスセパレータの外周に沿って設けられ、前記第１マニホールドと、前記第２マニホールドと、前記燃料電池の発電領域であって、前記膜電極接合体が備える電極が配置される領域と前記積層方向に重なり、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドに対して、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの隣接方向に垂直な方向に配置される発電領域と、を囲む第１のシール部と、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドと前記発電領域との間を前記隣接方向に沿って延び、各端部が前記第１のシール部と接する第２のシール部と、
   前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間を前記隣接方向と垂直な方向に沿って延び、各端部がそれぞれ前記第１のシール部と前記第２のシール部とに接する第３のシール部と、を有し、
   前記加熱プレスによって、前記燃料電池を前記積層方向から見たときに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間では、前記第１マニホールドから前記第２マニホールドに向かって、前記第１ガスケット、前記第３のシール部、前記第２ガスケット、の順に配置されるように、形成される
   燃料電池の製造方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記シール部材として絶縁シートを用い、前記膜電極接合体の外周部に前記絶縁シートを接合してシート接合体を作製し、
   前記シール部を形成する工程は、前記シート接合体を前記一対のガスセパレータで挟持した後、前記絶縁シートと前記一対のガスセパレータとを加熱プレスして、前記絶縁シートと前記ガスセパレータとを接着させる
   燃料電池の製造方法。

Images