JP2008171613A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路を多孔質体により形成する燃料電池において、多孔質体とシール部位との間の空隙に起因するガス利用率の低下を抑制する。
【解決手段】
燃料電池は、電解質膜と電極とを備える膜−電極複合体と、膜−電極複合体の外周部で一体形成されるシール部１６と、シール部１６を両側から挟持するガスセパレータ３０と、膜−電極複合体とガスセパレータ３０との間に配置される多孔質体から成るガス流路形成部１４と、を備える。シール部１６は、少なくとも一方の側において、隣接するガスセパレータと接する凸部として、ガス流路形成部１４を囲んで設けられた第１の線状凸部６２と、第１の線状凸部６２とガス流路形成部１４の外周との間において、ガス流路形成部１４を通過しないガス流れを阻害する位置に設けられ、第１の線状凸部６２よりも低く形成されたガス止め凸部６０と、を備える。
【選択図】図７

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般に、電解質層や電極あるいはガスセパレータを含む板状部材を、所定の順序で順次積層することによって形成される。このような構成の一例として、電解質膜と一体で、電解質膜の外周にシール部材を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。電解質膜の外周にシール部材を設けて、電解質膜に隣接する部材とシール部材とを接触させることによって、電解質膜上に形成されるガス流路におけるガスシール性を確保することができる。

特開２００２−４２８３６号公報 特開２００６−２１６４２４号公報 特開２００５−９３２４３号公報

しかしながら、上記のように電解質膜とシール部材とを一体形成する場合であって、特に、電解質膜上に形成した電極にガスを供給するためのガス流路を多孔質体で形成する場合には、ガス流路を形成する多孔質体と、シール部材によるシール部位との間に隙間が生じる場合がある。このように多孔質体とシール部位との間に隙間が生じると、いわゆるガスの脇流れが生じる。具体的には、電解質膜上に配置されてガス流路を形成する多孔質体の外周とシール部材のシール部位との間に隙間があると、多孔質体内の空隙よりも、ガスが流れる際の抵抗が小さい上記隙間に優先的にガスが流れることになる。上記多孔質体の周囲は、本来ガスを流したい領域ではなく、実質的に発電には寄与しない領域である。そのため、上記隙間を流れるガス（脇流れするガス）があると、燃料電池におけるガスの利用効率が低下して、電池性能が低下するという問題が生じていた。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電極上のガス流路を多孔質体により形成する燃料電池において、多孔質体とシール部位との間の空隙に起因するガス利用率の低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された電極と、を備える膜−電極複合体と、
弾性体から成り、前記膜−電極複合体の外周部において、該膜−電極複合体と一体で形成されるシール部と、
前記シール部を両側から挟持するように、前記膜−電極複合体と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
多孔質体から成り、前記膜−電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配置されるガス流路形成部と
を備え、
前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、前記ガス流路形成部を囲んで設けられた第１の線状凸部と、前記第１の線状凸部と前記ガス流路形成部の外周との間において、前記ガス流路形成部内を通過しないガス流れを阻害する位置に設けられ、前記第１の線状凸部よりも高さが低く形成されたガス止め凸部と、を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第１の燃料電池によれば、膜−電極複合体と一体形成されたシール部が、ガス流路形成部を囲んで設けられた第１の線状凸部とガス流路形成部の間において、ガス流路形成部内を通過しないガス流れを阻害する位置に設けられてガスセパレータと接するガス止め凸部を備えている。そのため、ガス流路形成部の周囲におけるガス流れ（ガスの脇流れ）を抑制し、ガスの利用効率を向上させることができる。このとき、ガス止め凸部は、第１の線状凸部よりも低く形成されている。すなわち、ガス止め凸部は、ガス流路形成部を囲んで設けられた第１の線状凸部に要求される高さよりも低く形成すれば良い。そのため、ガス流路形成部の外周部近傍にかかる面圧が低下しすぎることが無く、ガス止め凸部に起因する接触抵抗の増大を抑えることができる。

本発明の第１の燃料電池において、前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部内を流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有することとしても良い。このような構成とすることで、第１の線状凸部とガス流路形成部の外周との間に形成したガス止め凸部によって、ガス流路形成部内を通過しないガスの流れを充分に阻害することができる。

本発明の第１の燃料電池において、前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部の外周に接触して、前記ガス流路形成部を囲んで形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス流路形成部とガス止め凸部との間に隙間が形成されないため、ガスの利用効率をより高めることができる。

本発明の第１の燃料電池において、さらに、前記膜−電極複合体を挟持して前記電極上に配置され、前記ガス流路形成部よりも平均細孔径が小さい多孔質体から成るガス拡散層を備え、前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、前記ガス拡散層と一体で形成されており、前記ガス流路形成部は、前記ガス拡散層と前記ガスセパレータとの間に配置されていることとしても良い。このような構成とすれば、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部と電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する効果を高めることができる。

本発明の第１の燃料電池において、前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、さらに、前記ガス流路形成部とも一体で形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス流路形成部の外周部近傍におけるガスの脇流れを抑える効果を、より高めることができる。

本発明の第１の燃料電池において、前記ガスセパレータは、前記ガス流路形成部に供給されるガスの流路であるガス供給路が内部に形成されると共に、前記ガス流路形成部との接触面において前記ガス供給路の開口部を有することとしても良い。このような構成とすれば、第１の線状凸部を、ガス流路形成部の外周を途切れることなく囲む線状に形成することができ、第１の線状凸部の形状を簡素化することができる。

このような本発明の第１の燃料電池において、前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、該膜−電極複合体に隣接する一方のガスセパレータと一体に成形されており、前記隣接する一方のガスセパレータと接する側は平坦面に形成されて、前記隣接する一方のガスセパレータと面接触すると共に、隣接する他方のガスセパレータと接する側において前記第１の線状凸部および前記ガス止め凸部を備えることとしても良い。このような構成とすれば、シール部が、膜−電極複合体に加えて、ガスセパレータとも一体成形されることで、燃料電池の組み立ての際には、上記一体成形された部材を順次積層すれば良く、燃料電池の組み立ての動作を簡素化することができる。また、シール部において、第１の線状凸部およびガス止め凸部を片側だけに形成することにより、上記凸部が安定して倒れにくくなり、シール性の確保を容易化できる。

あるいはこのような本発明の第１の燃料電池において、前記シール部は、隣接する一方のガスセパレータと接着または密着すると共に、隣接する他方のガスセパレータと接する側において前記第１の線状凸部および前記ガス止め凸部を備えることとしても良い。このような構成とすれば、シール部とガスセパレータとが接着・密着されているため、ガス流路形成部内を流れるガスのガス圧に起因する上記凸部の移動を抑制することができる。また、シール部において、第１の線状凸部およびガス止め凸部を片側だけに形成することにより、上記凸部が安定して倒れにくくなり、シール性の確保がより容易になる。

本発明の第１の燃料電池において、
前記ガスセパレータが間に配置された複数の前記膜−電極複合体を積層して成り、
前記ガスセパレータおよび前記シール部は、互いに対応する位置に、前記燃料電池を前記積層の方向に貫通すると共に各々の前記膜−電極複合体に供給するためのガスが流れるガスマニホールドを形成する穴部を備え、
前記第１の線状凸部は、前記ガス流路形成部を囲むと共に、前記穴部の外周の一部に沿って配置されており、
前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、さらに、前記第１の線状凸部と略同一の高さで連続して設けられ、前記第１の線状凸部の一部と共に前記穴部を囲む第２の線状凸部を備え、
前記第１および第２の線状凸部は、前記ガスマニホールドを流れる前記ガスの漏れを抑えることができる高さを有することとしても良い。

このような構成とすれば、第１および第２の線状凸部が、ガスマニホールドを流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有していても、ガス止め凸部がより低く形成されているため、ガス流路形成部の外周部近傍にかかる面圧が低下しすぎることが無い。

本発明の第２の燃料電池は、
電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された電極と、を備える膜−電極複合体と、
弾性体から成り、前記膜−電極複合体の外周部において、該膜−電極複合体の外周部を挟み込んで、該膜−電極複合体と一体で形成されるシール部と、
前記シール部を両側から挟持するように、前記膜−電極複合体と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
多孔質体から成り、前記膜−電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配置されるガス流路形成部と
を備えると共に、前記ガスセパレータが間に配置された複数の前記膜−電極複合体を積層して成り、
前記ガスセパレータおよび前記シール部は、互いに対応する位置に、前記燃料電池を前記積層の方向に貫通すると共に各々の前記膜−電極複合体に供給するためのガスが流れるガスマニホールドを形成する穴部を備え、
前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、前記ガス流路形成部の外周に接触して前記ガス流路形成部を囲んで設けられたガス止め凸部と、前記穴部の外周を囲んで設けられ、前記ガス止め凸部よりも高さが高く形成された線状凸部と、を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第２の燃料電池によれば、膜−電極複合体と一体形成されたシール部が、ガス流路形成部の外周に接触してガス流路形成部を囲んで設けられたガス止め凸部を備えるため、ガス流路形成部の周囲におけるガス流れ（ガスの脇流れ）を抑制し、ガスの利用効率を向上させることができる。このとき、ガス止め凸部は、ガスマニホールドを形成する穴部を囲む線状凸部よりも低く形成されているため、ガス流路形成部の外周部近傍にかかる面圧が低下しすぎることが無く、ガス止め凸部に起因する接触抵抗の増大を抑えることができる。

このような本発明の第２の燃料電池において、前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部内を流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有し、前記線状凸部は、前記ガスマニホールドを流れる前記ガスの漏れを抑えることができる高さを有することとしても良い。このような構成とすれば、ガス止め凸部は、既述した効果を得つつ、ガス流路形成部内を通過しないガスの流れを充分に阻害することができる。

本発明は、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などの形態で実現することが可能である。

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する単位であるセルアセンブリ１０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ１０間にガスセパレータ３０を介在させつつセルアセンブリ１０を積層させたスタック構造を有している。

セルアセンブリ１０は、図２に示すように、発電積層部１１と、シール部１６と、によって構成されている。発電積層部１１は、発電体１２と、発電体１２を挟持する一対のガス流路形成部１４，１５とによって構成される。発電体１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０の表面に形成された電極（カソード２２およびアノード２４）とから成るＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１３と、ＭＥＡ１３を挟持する一対のガス拡散層２６，２８と、によって形成される。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜２０上に触媒電極を形成したＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とを、プレス接合により一体化することで、発電体１２が作製される。このガス拡散層２６，２８は、後述するガス流路形成部１４，１５よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。そのため、ガス拡散層２６，２８を設けることによって、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部１４，１５と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜２０を保護することもできる。ただし、ガス流路形成部１４，１５の構成材料や気孔率によっては、ガス拡散層２６，２８を設けないこととしても良い。

ガス流路形成部１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、発電体１２とガスセパレータ３０との間に隙間無く配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソード２２とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。また、アノード２４とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。

ここで、隣り合うガスセパレータ３０間であって、発電積層部１１の外周部には、シール部１６が設けられている。シール部１６は、弾性材料、すなわち、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマーによって形成されている。図２に示すように、シール部１６は、一方の側は、平坦面として形成されて、隣接する一方のガスセパレータ３０と面接触すると共に、この接触面において、上記ガスセパレータ３０と所定の結合力で接着・密着されている。また、他方の側は、凸部を有しており、この凸部の頭頂部において、隣接する他方のガスセパレータ３０と接触する。シール部１６は、発電積層部１１と共に、隣接するガスセパレータ３０のうち、平坦面で面接触するガスセパレータ３０と一体で形成されている。シール部１６の製造工程については、後に詳述する。

図３は、発電積層部１１とシール部１６とが一体形成されたセルアセンブリ１０の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部（後述する６つの穴部４０〜４５）と、中央部に設けられて発電積層部１１が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。この図３は、図１における右側から見た図であって、既述した凸部が形成された側を表わしており、中央部に設けられた穴部に嵌め込まれた発電積層部１１においては、ガス流路形成部１４が表面に表われている。シール部１６に形成された凸部は、ガス止め凸部６０と、線状凸部によって構成される。

図３に示すように、ガス止め凸部６０は、シール部１６の中央部に設けられた穴部に組み込まれたガス流路形成部１４の外周に接触して、ガス流路形成部１４を囲んで形成される略四角形状の凸部である。また、線状凸部は、ガス止め凸部６０から離間して形成された凸部であって、第１の線状凸部６２と第２の線状凸部６４とによって構成される。第１の線状凸部６２は、ガス流路形成部１４を囲んでガス止め凸部６０の外側に設けられた略四角形状の線状凸部であり、第２の線状凸部６４は、第１の線状凸部６２と連続して形成され、第１の線状凸部６２の一部と共に、シール部１６の外周部に設けられた６つの穴部の各々を囲むように形成された線状凸部である。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記したガス止め凸部６０および線状凸部と、ガスセパレータ３０との接触部位において、ガスシール性を確保可能となる。ここで、ガス止め凸部６０と線状凸部とは、それぞれ、全体として高さおよび頭頂部の幅が略一定に形成されている。そのため、ガス流路形成部１４を囲むガス止め凸部６０あるいは６つの穴部を囲む線状凸部は、それぞれ、全体として略均一な応力を、隣接するガスセパレータ３０との間に生じることができ、良好なガスシール性を実現することができる。なお、ガス止め凸部６０および線状凸部の高さについては、本願発明の要部に関わっており、後に詳述する。また、以下の説明では、発電積層部１１において、シール部１６の中央部に形成される穴部で露出している部分に対応する領域を、発電領域ＤＡと呼ぶ。

ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。図４は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図であり、図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。これら図４〜図６は、各プレートを、図３に示すシール部１６と同じ側、すなわち、図１における右側から見た様子を表わす図である。これら図４〜図６では、既述した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。

カソード側プレート３１、アノード側プレート３２は、いずれも、その外周部においてシール部１６と同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記各薄板状部材では、略四角形状である外周の一辺の近傍に穴部４０が形成されている。また、近傍に穴部４０が形成された辺と対向する辺の近傍には、穴部４１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には穴部４２，４４が形成されており、他方の辺の近傍には穴部４３，４５が形成されている。なお、中間プレート３３は、上記６つの穴部のうち、穴部４４，４５は有していないが、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

上記各薄板状部材が備える穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ_２ inと表わす）、穴部４１は、各セル内酸化ガス流路から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ_２ outと表わす）。また、穴部４３は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ_２ inと表わす）、穴部４２は、各セル内燃料ガス流路から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ_２ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、ＣＬＴ inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、ＣＬＴ outと表わす）。

また、カソード側プレート３１は、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（図４における上端部）に沿って設けられ、カソード側プレート３１を貫通して形成された酸化ガス供給スリット５０を備えている。また、同様に、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（図４における下端部）に沿って設けられた酸化ガス排出スリット５１を備えている（図４参照）。

アノード側プレート３２は、カソード側プレート３１と同様に、穴部４０におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの一辺（図５における上端部）に沿って設けられ、アノード側プレート３２を貫通して形成された燃料ガス排出スリット５２を備えている。また、穴部４１におけるプレート中央部側の辺の近傍において発電領域ＤＡの他の一辺（図５における下端部）に沿って設けられた燃料ガス供給スリット５３を備えている（図５参照）。これらの燃料ガス排出スリット５２および燃料ガス供給スリット５３は、それぞれ、酸化ガス供給スリット５０および酸化ガス排出スリット５１と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに配置されている。

中間プレート３３においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３３の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに酸化ガス供給スリット５０と重なり合うように形成されており、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス供給スリット５０とを連通させる。また、穴部４１においても同様に、酸化ガス排出スリット５１に対応して、複数の連通部５５が設けられている（図６参照）。さらに、中間プレート３３には、穴部４３および穴部４２の各々に連通して、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５３あるいは燃料ガス排出スリット５２と重なる形状の、連通部５７および連通部５６が設けられている。

燃料電池の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の酸化ガス供給スリット５０とを介して、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化ガス流路へと流入する。セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部１４に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部１４からガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつセル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の酸化ガス排出スリット５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４３が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５７が形成する空間と、アノード側プレート３２の燃料ガス供給スリット５３とを介して、ガス流路形成部１５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。セル内燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部１５からガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつセル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３２の燃料ガス排出スリット５２および中間プレート３３の連通部５６が形成する空間を介して、穴部４２が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

図３ないし図６では、図１に示した断面図に相当する位置を、１−１断面として示している。図１に示すように、１−１断面では、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート３３の連通部５４およびカソード側プレート３１の酸化ガス供給スリット５０を介して、ガス流路形成部１４内へと酸化ガスが供給される様子が表わされる。さらに、１−１断面では、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の酸化ガス排出スリット５１および中間プレート３３の連通部５５を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子が表わされる。

なお、中間プレート３３は、さらに、発電領域ＤＡを含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

Ｂ．シール部１６の構成および燃料電池の製造工程：
本実施例では、燃料電池を作製する際に、シール部１６を、発電積層部１１に加えて、隣接する一方のガスセパレータ３０と一体で成形している。図７は、発電積層部１１および一方のガスセパレータ３０と一体成形されたシール部１６の様子を表わす断面模式図である。図７に示すように、シール部１６では、互いに連続して形成されると共に略同一の高さに形成された第１の線状凸部６２および第２の線状凸部６４の高さ（ｈ１）が、ガス止め凸部６０の高さ（ｈ２）よりも高く形成されている。なお、図７に示す凸部の高さｈ１、ｈ２は、シール部１６の外周近傍において平坦に形成された領域である平坦部６６（図３参照）に対する高さを表わしている。

ここで、ガス止め凸部６０の高さは、シール部１６と一体形成されたときのガス流路形成部１４以上の高さである。そして、セルアセンブリ１０とガスセパレータ３０とを積層して成る積層体の積層方向に締結圧を加えて燃料電池を組み立てたときに、ガス流路形成部１４内を流れるガスの漏れを抑えることができる応力を、隣接するガスセパレータ３０との間に生じる高さである。このような高さは、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの圧力や、上記積層体に加えられる締結圧、あるいは、シール部１６の構成材料などに応じて、適宜設定することができる。また、第１および第２の線状凸部の高さは、同様に燃料電池を組み立てたときに、ガスマニホールドおよび冷媒マニホールド内を流れるガスや冷媒の漏れを抑えることができる応力を、隣接するガスセパレータ３０との間に生じる高さである。このような高さは、マニホールドを流れる流体の圧力や、積層体に加えられる締結圧、あるいは、シール部１６の構成材料などに応じて、適宜設定することができる。

図８は、本実施例の燃料電池の製造工程を表わす説明図である。また、図９は、所定の形状の金型を用いて、射出成形によって、シール部１６を、発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体形成する様子を表わす説明図である。

本実施例の燃料電池を製造する際には、まず、発電体１２と、ガス流路形成部１４，１５と、ガスセパレータ３０とを用意する（ステップＳ１００）。また、シール部１６を一体成形するための金型を用意する（ステップＳ１１０）。金型は、図９に示すように、上型７２と下型７０とを備えている。金型内には、ガスセパレータ３０と発電体１２とガス流路形成部１４，１５が丁度嵌り込む凹凸形状が形成されている。

次に、下型７０に、ガスセパレータ３０を配置する（ステップＳ１２０）。本実施例では、ガスセパレータ３０は、カソード側プレート３１を下方にし、アノード側プレート３２を上方にして、配置される。そして、配置したガスセパレータ３０上に、さらに、ガス流路形成部１５、発電体１２、ガス流路形成部１４を順次配置する（ステップＳ１３０）。

金型内に各部材を配置すると、所定の型圧で型締めし、射出成形を行なってシール部１６を一体成形する（ステップＳ１４０）。図９に示すように、各部材が配置された金型内には、発電積層部１１の外側近傍において、シール部１６の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図９に示すように、ガスセパレータ３０のアノード側プレート３２側の面と、下型７０および上型７２の内壁面と、発電積層部１１の端部とによって区画される。また、金型の上型７２においては、マニホールド用穴部４０〜４５が形成される位置に、開口７４を備えて厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。射出成形の際には、シール部１６の成形材料としての液状ゴムが、上述した開口７４から貫通孔を介して空間ＳＰへと投入された後、加硫工程が行われる。なお、本実施例では、射出成形時には、燃料電池を組み立てた際に燃料電池に加えられる締結圧と同じ圧力が、発電積層部１１およびガスセパレータ３０に加えられるように、型締めが行なわれる。すなわち、積層された燃料電池内と同じ状態にして、シール部１６の一体形成が行なわれる。

このような射出成形においては、成形材料がガス拡散層２６，２８およびガス流路形成部１４，１５の端部に含浸されるように、すなわち、これらの多孔質体の外周部の細孔内に成形材料が入り込んで、発電積層部１１とシール部１６とが一体化するように、成形材料の投入圧力が制御される。また、成形材料にシランカップリング剤を添加することにより、シール部１６とガスセパレータ３０の接触面における結合力が確保され、シール部１６とガスセパレータ３０とが接着・密着される。射出成形後、型開きすることで、セルアセンブリ１０とガスセパレータ３０とが一体化した構成単位が得られる。

このようにして構成単位を複数作製すると、これらの構成単位を複数積層すると共に、構成単位から成る積層体の両端部に、出力端子を備える集電板と、絶縁性材料から成る絶縁板と、剛性の高いエンドプレートとをさらに積層して組み立てを行なう。そして、組み立てた積層体全体に積層方向に締結圧を加えつつ固定して（ステップＳ１５０）、燃料電池を完成する。

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、発電積層部１１と一体形成されたシール部１６が、ガス流路形成部１４の外周に接触してガス流路形成部１４を囲んで形成されたガス止め凸部６０を備えている。そのため、ガス流路形成部１４内を通過せずにガス流路形成部１４の周囲を酸化ガスが流れる（ガスが脇流れする）ことがなく、供給された酸化ガスはガス流路形成部１４内を流れることになり、酸化ガスの利用効率を向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池によれば、シール部１６は、ガス止め凸部６０に加えて、ガス止め凸部６０から離間して設けられた線状凸部を備え、ガス止め凸部６０は、線状凸部よりも積層方向の高さが低く形成されている。具体的には、ガス止め凸部６０は、ガス流路形成部１４内を流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有するものの、マニホールド内のガスの漏れを抑えることができる高さを有する線状凸部よりも低く形成されている。既述したように、シール部によるシール部位（シール部に設けた凸部）をガス流路形成部１４の外周のごく近くに設けることにより、ガスの脇流れを抑えることができるが、上記凸部が高すぎると、ガス流路形成部１４における外周近傍領域にかかる面圧が不十分となる可能性がある。ガス流路形成部１４において、このように面圧が不十分になる領域では接触抵抗が増大するため、電池性能の低下が引き起こされる。本実施例では、ガス流路形成部１４に接触するガス止め凸部６０を、より低く形成しているため、ガス流路形成部１４の外周部近傍にかかる面圧を低下させすぎることが無く、ガス止め凸部６０に起因する接触抵抗の増大を抑えることができる。

ここで、実施例とは異なり、シール部１６を一体成形する際に、ガス流路形成部１４は別体で用意することとしても良い。このように、ガス流路形成部１４を別体で用意して、シール部１６に後から嵌め込む場合であっても、ガス流路形成部１４の外周に接触してガス流路形成部１４を囲むと共に、より低く形成されたガス止め凸部６０を、シール部１６に設けることにより、面圧低下を抑えつつガスの脇流れを抑制する同様の効果が得られる。ただし、ガス流路形成部１４も一体でシール部１６を形成する場合には、ガス流路形成部１４の外周近傍の細孔内に、シール部１６の成形材料が入りこむため、ガス流路形成部１４の外周部近傍におけるガスの脇流れを抑える効果を、より高めることができる。なお、本実施例では、凸部が形成されていないアノード側のガス流路形成部１５においても、ガス流路形成部１５との間で隙間無くシール部１６が一体形成されているため、ガスの脇流れを充分に抑制することができる。

さらに、シール部１６を、ガス流路形成部１４，１５と一体で形成しているため、シール部１６を形成する際に、シール部１６をガス流路形成部１４，１５の外周と接触させるために、厳密な位置合わせが可能となるほどの精度が要求されることが無い。そのため、ガス流路形成部１４とガス止め凸部６０とを、容易に接触させることができる。

また、本実施例の燃料電池によれば、シール部１６は、一方の面では、ガス止め凸部６０および線状凸部においてガスセパレータ３０と接触し、他方の面では、平坦面においてガスセパレータ３０と面接触している。このように、ガスセパレータ３０と接触してシール性を確保するための凸部を一方の側にだけ設け、他方は面接触とすることにより、両側に凸部を設けてシール性を確保する場合に比べて、凸部が安定して倒れにくくなり、シール性の確保がより容易になる。特に、上記面接触する側では、シール部１６とガスセパレータ３０とが接着・密着されているため、マニホールド内やセル内ガス流路におけるガス圧に起因する凸部の移動を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池によれば、シール部１６を、発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体成形して、セルアセンブリ１０とガスセパレータ３０とが一体化した構成単位を作製している。そのため、燃料電池を組み立てる際には、この構成単位を所定数積み重ねれば良く、燃料電池の組み立て動作を簡素化することができる。

また、本実施例では、ガスセパレータ３０は、ガス流路形成部に供給されるガスの流路が内部に形成されると共に、このガスの流路の開口部が、ガスセパレータ３０におけるガス流路形成部と接触する表面に形成されている。そのため、ガス止め凸部６０や線状凸部を、それぞれ、ガス流路形成部１４の外周やマニホールド用穴部４０〜４５の外周を途切れることなく囲む線状に形成することができる。したがって、各凸部の形状を簡素化することができる。なお、ガスセパレータ３０とガス流路形成部との接触面は、平坦面でなくても良く、ガス流路形成部が、発電体１２とガスセパレータ３０との間に隙間無く配置されていれば良い。

なお、上記構成単位を作製する際に、ＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とを予め一体化するのではなく、別体のまま金型内に配置して、シール部１６の一体成形を行なっても良い。一体成形の際には、燃料電池における締結圧と同等の圧力が加えられるように型締めが行なわれるため、シール部１６の一体成形と、ＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８のプレス接合とを、同時に行なうことができる。

また、発電積層部１１と一体成形するシール部１６は、射出成形以外の方法により形成しても良い。例えば、圧縮成形により、シール部１６を一体成形することができる。この場合には、金型内の空間ＳＰに固形の未加硫ゴムを充填し、金型を型締めして加熱することにより、成形と加硫とを同時に行う加硫圧縮成形を行なえば良い。

また、実施例では、図９に示すように、発電積層部１１を構成する各部材は、いずれも略同一の大きさであって互いに重なり合い、発電積層部１１の端部は１つの平面を形成することとしたが、異なる構成としても良い。すなわち、ＭＥＡ１３，ガス拡散層２６，２８およびガス流路形成部１４，１５は、各々が異なる大きさに形成される、あるいは、各々の外周の位置が互いにずれるように配置されることとしても良い。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や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。

Ｃ１．変形例１：
実施例では、ガス止め凸部６０は、ガス流路形成部１４の外周全体を囲む形状としたが、異なる形状であっても良い。例えば、ガス流路形成部１４の４辺全てを囲むのではなく、いずれかの３辺を囲む形状としても良い。このような構成の一例を、ガス止め凸部１６０を形成したシール部２１６を備えるセルアセンブリ１１０として、図３と同様の平面図で図１０（Ａ）に示す。図１０（Ａ）では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、シール部１１６は、ハッチを付して示している。このような構成とすれば、ガス止め凸部１６０と第１の線状凸部６２との間に空間が形成されるものの、この空間内をガスが流れることはないため、実施例と同様にガスの脇流れを抑制することができる。

また、ガス止め凸部は、ガス流路形成部１４の外周の少なくとも一部に沿って、この外周に接触するように設ける必要はなく、ガス流路形成部１４を囲んで設けられた第１の線状凸部６２とガス流路形成部１４との間におけるガス流れを邪魔する位置に配置されていればよい。このような構成の一例を、ガス止め凸部２６０を形成したシール部２１６を備えるセルアセンブリ２１０として、図３と同様の平面図で図１０（Ｂ）に示す。図１０（Ｂ）では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、シール部２１６は、ハッチを付して示している。このような場合にも、実施例と同様にガスの脇流れを抑制することができる。

このように、実施例とは異なる形状にガス止め凸部を形成する場合であっても、実施例と同様に、第１および第２の線状凸部は、マニホールド内のガスの漏れを抑える高さに形成される必要があるのに対し、ガス止め凸部は、セル内ガス流路のガスの漏れを抑える高さに形成されていればよい。したがって、ガス止め凸部の形状に拘わらず、ガス止め凸部は、第１および第２の線状凸部よりも低く形成すれば良く、これにより、ガス流路形成部の外周近傍における面圧低下を抑制することができる。なお、第１の線状凸部６２だけがガス流路形成部１４の外周全体を囲んでいる場合には、第１の線状凸部６２は、セル内ガス流路のガス漏れを抑える高さを有する必要があるが、第１の線状凸部６２はマニホールド内のガス漏れを抑制可能な高さを有するため、この条件を満たしている。

あるいは、ガス流路形成部１４の外周に接して外周全体を囲むガス止め凸部を形成すると共に、このガス止め凸部とは離間して、マニホールド用穴部の各々について、穴部の外周全体を囲む線状凸部を設けることとしても良い。このような構成を、ガス止め凸部３６０を形成したシール部３１６を備えるセルアセンブリ３１０として、図３と同様の平面図で図１１に示す。この場合には、線状凸部は、マニホールド内のガス圧に対抗してガスシール性を確保可能な高さに形成すれば良い。また、ガス止め凸部は、セル内ガス流路内のガス圧に対抗してガスシール性を確保可能な高さに形成すれば良く、線状凸部よりも低く形成すればよい。したがって、ガス止め凸部をガス流路形成部に接して設けることにより、ガスの脇流れを抑えると共に、ガス止め凸部を線状凸部よりも低く形成することにより、ガス流路形成部の外周近傍における面圧低下を抑制することができる。

Ｃ２．変形例２：
実施例では、シール部１６において、アノード側プレート３２と接する側を平坦面として、カソード側プレート３１と接する側にガス止め凸部６０および線状凸部を設けたが、異なる形状としても良い。例えば、凸部を設ける面と平坦面とを逆にして、アノード側プレート３２と接する側に、ガス止め凸部６０および線状凸部を設けることとしても良い。

なお、シール部の平坦面とガスセパレータとの間を接着・密着させる場合には、実施例のようにシール部の成形材料にシランカップリング剤を添加する他、種々の手法を採用可能である。例えば、分子間力、共有結合、水素結合などの化学結合、あるいは、機械的な結合などの物理結合を利用することができる。また、シール部の平坦面とガスセパレータとの間に、接着剤から成る接着層を設けても良い。

ここで、実施例のように、シール部１６におけるアノード側プレート３２と接する面を平坦面としてガスセパレータと接着・密着させる場合には、漏れが生じやすい水素に関するシール性を、より高めることができる。また、シール部１６におけるカソード側プレート３１と接する面を平坦面としてガスセパレータと接着・密着させる場合には、一般的にガス圧がより高い酸化ガス側において、シール性をより高めることができる。

また、シール部の平坦面とガスセパレータとを接着させる特別な処理を行なわず、両者を別体で形成して積層する場合であっても、シール部の一方の面のみに凸部を形成することで、凸部を安定化させて、シール性の確保を容易化する効果は得られる。シール部とガスセパレータとを別体で形成する場合には、両方のガス流路形成部をシール部と別体で形成して、後からシール部に嵌め込むことにしても良い。

また、シール部において、一方の面を平坦面とするのではなく、両方の面の互いに対応する位置に、ガス止め凸部および線状凸部を設けることとしても良い。このような構成としても、セル内ガス流路におけるガスの脇流れの抑制と、ガス流路形成部の外周近傍における面圧低下の抑制という同様の効果が得られる。

Ｃ３．変形例３：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。例えば、固体酸化物電解質型燃料電池とすることができる。シール部の構成材料を、ゴムや熱可塑性エラストマーなどの弾性材料から適宜選択可能な運転温度を示す燃料電池であれば、本発明を適用することができる。

実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。 セルアセンブリ１０の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。 中間プレート３３の形状を示す説明図である。 発電積層部１１およびガスセパレータ３０と一体成形されたシール部１６の様子を表わす断面模式図である。 実施例の燃料電池の製造工程を表わす説明図である。 射出成形によってシール部１６を一体形成する様子を表わす説明図である。 変形例のセルアセンブリを表わす平面図である。 変形例のセルアセンブリを表わす平面図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０，３１０...セルアセンブリ
１１...発電積層部
１２...発電体
１３...ＭＥＡ
１４，１５...ガス流路形成部
１６，１１６，２１６，３１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６，２８...ガス拡散層
３０...ガスセパレータ
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３３...中間プレート
４０〜４５...穴部
５０...酸化ガス供給スリット
５１...酸化ガス排出スリット
５２...燃料ガス排出スリット
５３...燃料ガス供給スリット
５４〜５７...連通部
５８...冷媒孔
６０，１６０，２６０，３６０...ガス止め凸部
６２...第１の線状凸部
６４...第２の線状凸部
６６...平坦部
７０...下型
７２...上型
７４...開口
ＤＡ...発電領域
ＳＰ...空間

Claims (11)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された電極と、を備える膜−電極複合体と、
   弾性体から成り、前記膜−電極複合体の外周部において、該膜−電極複合体と一体で形成されるシール部と、
   前記シール部を両側から挟持するように、前記膜−電極複合体と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
   多孔質体から成り、前記膜−電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配置されるガス流路形成部と
   を備え、
   前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、前記ガス流路形成部を囲んで設けられた第１の線状凸部と、前記第１の線状凸部と前記ガス流路形成部の外周との間において、前記ガス流路形成部内を通過しないガス流れを阻害する位置に設けられ、前記第１の線状凸部よりも高さが低く形成されたガス止め凸部と、を備える
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部内を流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有する
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部の外周に接触して、前記ガス流路形成部を囲んで形成されている
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、さらに、
   前記膜−電極複合体を挟持して前記電極上に配置され、前記ガス流路形成部よりも平均細孔径が小さい多孔質体から成るガス拡散層を備え、
   前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、前記ガス拡散層と一体で形成されており、
   前記ガス流路形成部は、前記ガス拡散層と前記ガスセパレータとの間に配置されている
   燃料電池。
5. 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、さらに、前記ガス流路形成部とも一体で形成されている
   燃料電池。
6. 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータは、前記ガス流路形成部に供給されるガスの流路であるガス供給路が内部に形成されると共に、前記ガス流路形成部との接触面において前記ガス供給路の開口部を有する
   燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、前記膜−電極複合体に加えて、該膜−電極複合体に隣接する一方のガスセパレータと一体に成形されており、前記隣接する一方のガスセパレータと接する側は平坦面に形成されて、前記隣接する一方のガスセパレータと面接触すると共に、隣接する他方のガスセパレータと接する側において前記第１の線状凸部および前記ガス止め凸部を備える
   燃料電池。
8. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記シール部は、隣接する一方のガスセパレータと接着または密着すると共に、隣接する他方のガスセパレータと接する側において前記第１の線状凸部および前記ガス止め凸部を備える
   燃料電池。
9. 請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータが間に配置された複数の前記膜−電極複合体を積層して成り、
   前記ガスセパレータおよび前記シール部は、互いに対応する位置に、前記燃料電池を前記積層の方向に貫通すると共に各々の前記膜−電極複合体に供給するためのガスが流れるガスマニホールドを形成する穴部を備え、
   前記第１の線状凸部は、前記ガス流路形成部を囲むと共に、前記穴部の外周の一部に沿って配置されており、
   前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、さらに、前記第１の線状凸部と略同一の高さで連続して設けられ、前記第１の線状凸部の一部と共に前記穴部を囲む第２の線状凸部を備え、
   前記第１および第２の線状凸部は、前記ガスマニホールドを流れる前記ガスの漏れを抑えることができる高さを有する
   燃料電池。
10. 燃料電池であって、
    電解質膜と、該電解質膜の両面に形成された電極と、を備える膜−電極複合体と、
    弾性体から成り、前記膜−電極複合体の外周部において、該膜−電極複合体の外周部を挟み込んで、該膜−電極複合体と一体で形成されるシール部と、
    前記シール部を両側から挟持するように、前記膜−電極複合体と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
    多孔質体から成り、前記膜−電極複合体と前記ガスセパレータとの間に配置されるガス流路形成部と
    を備えると共に、前記ガスセパレータが間に配置された複数の前記膜−電極複合体を積層して成り、
    前記ガスセパレータおよび前記シール部は、互いに対応する位置に、前記燃料電池を前記積層の方向に貫通すると共に各々の前記膜−電極複合体に供給するためのガスが流れるガスマニホールドを形成する穴部を備え、
    前記シール部は、少なくとも一方の側において、隣接する前記ガスセパレータと接する凸部として、前記ガス流路形成部の外周に接触して前記ガス流路形成部を囲んで設けられたガス止め凸部と、前記穴部の外周を囲んで設けられ、前記ガス止め凸部よりも高さが高く形成された線状凸部と、を備える
    燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池であって、
    前記ガス止め凸部は、前記ガス流路形成部内を流れるガスの漏れを抑えることができる高さを有し、
    前記線状凸部は、前記ガスマニホールドを流れる前記ガスの漏れを抑えることができる高さを有する
    燃料電池。

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