JP5286895B2 - 単セルアセンブリ、および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、および、その製造方法に関する。

燃料電池は、例えば、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を含む単セル構成部材とセパレータとを交互に積層して構成される（下記特許文献１参照）。

特開２００７−１４９３９３号公報

しかしながら、上記燃料電池では、例えば、外力を受けたり、劣化等により、積層ずれを起こし、隣接するセパレータ同士が、接触し、短絡するおそれがあった。このように、短絡が生じると、燃料電池の発電効率の低下など種々の不具合が生じるおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態１の単セルアセンブリは、複数積層されることにより燃料電池を形成する単セルアセンブリであって、
セパレータと、
前記セパレータの一方の面における第１領域に配置される単セル構成部材と、
弾性部材から構成され、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域に接着されると共に、前記単セル構成部材の周縁部の少なくとも一部と一体化されるシール部材と、
絶縁性を有し、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に設けられる第１絶縁部と、
を備え、
前記シール部材は、前記第１絶縁部として、前記セパレータの周縁部における端面を覆う第１被覆部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。
上記単セルアセンブリを複数積層した燃料電池を構成すると、燃料電池の部品点数を軽減しつつ、セパレータ同士が接触して短絡することを抑制することができる。

[適用例１]
複数積層されることにより燃料電池を形成する単セルアセンブリであって、セパレータと、前記セパレータの一方の面における第１領域に配置される単セル構成部材と、弾性部材から構成され、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域に接着されると共に、前記単セル構成部材の周縁部の少なくとも一部と一体化されるシール部材と、絶縁性を有し、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に設けられる第１絶縁部と、を備えることを要旨とする。

上記単セルアセンブリを複数積層した燃料電池を構成すると、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の単セルアセンブリにおいて、前記第１絶縁部は、前記セパレータの端面に設けられることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の単セルアセンブリにおいて、前記シール部材は、前記第１絶縁部として、前記セパレータの周縁部における端面を覆う第１被覆部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、部品点数を軽減しつつ、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例４]
適用例１または適用例２に記載の単セルアセンブリにおいて、前記第１絶縁部は、前記セパレータの周縁部における端面を覆うキャップ状部材であることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、簡便に絶縁部をセパレータに形成することが可能となる。また、燃料電池において、単セルアセンブリの積層ずれを抑制することができる。

[適用例５]
適用例１または適用例２に記載の単セルアセンブリにおいて、前記セパレータは、導電性板状部材と、樹脂で形成される樹脂性板状部材と、を備え、前記樹脂性板状部材は、周縁部において、前記第１絶縁部として、前記導電性板状部材の端面を覆う第２被覆部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、部品点数を軽減しつつ、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例６]
適用例１または適用例２に記載の単セルアセンブリにおいて、前記第１絶縁部は、前記セパレータを酸化処理することにより形成される酸化処理部であることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、部品点数を軽減しつつ、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例７]
適用例１または適用２に記載の単セルアセンブリにおいて、前記第１絶縁部は、アルミナ、または、マグネシアを塗工することにより形成されることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、簡便に絶縁部をセパレータに形成することが可能となる。

[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の単セルアセンブリにおいて、前記第１絶縁部は、前記単セルアセンブリの厚さ方向に伸びる第１突起部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、単セルアセンブリの積層ずれを抑制することができる。

[適用例９]
適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の単セルアセンブリにおいて、前記セパレータは、前記単セルアセンブリの厚さ方向に貫通し、反応ガス、または、冷却媒体が流れるマニホールドが形成され、前記単セルアセンブリは、絶縁性を有し、前記セパレータの前記マニホールドの周縁部に設けられる第２絶縁部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例１０]
適用例９に記載の単セルアセンブリにおいて、前記第２絶縁部は、前記単セルアセンブリの厚さ方向に伸びる第２突起部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、単セルアセンブリの積層ずれを抑制することができる。

[適用例１１]
複数積層されることにより燃料電池を形成する単セルアセンブリであって、前記単セルアセンブリの厚さ方向に貫通し、反応ガス、または、冷却媒体が流れるマニホールドが形成されるセパレータと、前記セパレータの一方の面における第１領域に配置される単セル構成部材と、弾性部材から構成され、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域に接着されると共に、前記単セル構成部材の周縁部の少なくとも一部と一体化されるシール部材と、絶縁性を有し、前記セパレータの前記マニホールドにおける周縁部の少なくとも一部に設けられるマニホールド絶縁部と、を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。

このようにすれば、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例１２]
燃料電池であって、適用例１ないし適用例１１のいずれかに記載の単セルアセンブリを複数積層して成る燃料電池。

上記燃料電池によれば、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

[適用例１３]
セパレータと単セル構成部材とが積層されて成る単セルアセンブリの製造方法であって、前記単セル構成部材を前記セパレータの一方の面における第１領域に配置する工程と、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域に接着すると共に、前記単セル構成部材の周縁部と一体化するように、弾性部材から成るシール部材を成形する工程と、前記セパレータの周縁部に絶縁部を設ける工程と、を備えることを特徴とする単セルアセンブリの製造方法。

上記単セルアセンブリの製造方法によれば、セパレータの周縁部に絶縁部が設けられた単セルアセンブリを製造することができる。そして、製造した単セルアセンブリを複数積層した燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
［適用例１４］
セパレータと単セル構成部材とが積層されて成る単セルアセンブリの製造方法であって、成形型に前記セパレータを配置する工程と、前記単セル構成部材を前記セパレータの一方の面における第１領域に配置する工程と、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域と、前記単セル構成部材の周縁部と、前記成形型によって区画される空間において、成形材料を射出成形または圧縮成形することより、シール部材を成形する工程と、前記セパレータの周縁部に絶縁部を設ける工程と、を備えることを特徴とする単セルアセンブリの製造方法。

上記単セルアセンブリの製造方法によれば、セパレータの周縁部に絶縁部が設けられた単セルアセンブリを製造することができる。そして、製造した単セルアセンブリを複数積層した燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池の製造方法に限ることなく、セパレータ、または、単セルアセンブリの製造方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、上記した燃料電池に限られず、セパレータ、または、単セルアセンブリなど、他の装置発明の態様で実現することも可能である。

以下、本発明に係る燃料電池、燃料電池の製造方法、および、単セルアセンブリについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成
本発明の第１実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は、第１実施例における燃料電池１００の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００を構成する単セルアセンブリ２００の側面図である。図３は第１実施例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。図２において、単セルアセンブリ２００は、離れて示されているが、実際には、隣接している。図２に示される単セルアセンブリ２００には、シール部材７００、単セル構成部材８００、発電領域ＤＡ、および、周囲領域ＤＲが示されている。これらについての詳細は、後述する。

図１および図２に示すように、燃料電池１００は、単セルアセンブリ２００が複数個積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。単セルアセンブリ２００を積層する方向を積層方向とも呼び、積層方向に垂直な方向であって、単セルアセンブリ２００の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。図３に示すように、燃料電池１００は、単セルアセンブリ２００を所定枚数積層し（ステップＳ１０２）、積層された単セルアセンブリ２００を積層方向に所定の締結力を負荷するように締結する（ステップＳ１０４）ことにより、製造される。なお、後述する単セルアセンブリ２００を構成する部材の厚さ方向と、積層方向は略同一である。

図１に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。

燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給される。なお、酸化ガスとしては、例えば、空気を用い、燃料ガスとしては、例えば、水素を用いる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いる。

図２に加えて、図４および図５を参照しながら、単セルアセンブリ２００の構成について説明する。図４は、単セルアセンブリ２００の正面図（図２における右側から見た図）を示す図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

図２、図４、図５に示すように、単セルアセンブリ２００は、セパレータ６００と、単セル構成部材８００と、シール部材７００と、から構成されている。これら各部材において、周縁部に位置し、積層方向に沿った面を端面とも呼ぶ。セパレータ６００の端面を、端面ＴＭとも呼ぶ。

セパレータ６００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００と、導電性多孔部材５５５と、から構成されている。

図６は、カソードプレート４００の形状を示す説明図である。図７は、アノードプレート３００の形状を示す説明図である。図８は、中間プレート５００の形状を説明図である。図６、図７、図８は、各プレート４００、３００、５００を図２の右側から見た様子を示している。図６〜図８において、各プレート３００、４００、５００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、単セルアセンブリ２００において、上述した単セル構成部材８００が配置される領域に対応する領域（以下、発電領域ＤＡとも呼ぶ）である。

図６に示すように、カソードプレート４００は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、６個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、発電領域ＤＡの端部（図６における上端部）に配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、発電領域ＤＡの端部（図６における下端部）に、並んで配置されている。

図７に示すように、アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、６個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０と、燃料ガス排出スリット３５４と、を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの端部（図７における下端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。燃料ガス排出スリット３５４は、発電領域ＤＡの端部（図７における上端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス供給スリット４４０と重ならないように配置されている。

図８に示すように、中間プレート５００は、上述の各プレート３００、４００とは異なり、ラミネート樹脂で形成されている。ラミネート樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、または、カプトンフィルムなどが用いられる。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための４つのマニホールド形成部５２２〜５２８と、供給流路形成部５４２、５４６および排出流路形成部５４４、５４８を備えている。中間プレート５００は、さらに、プレートの略中央に厚さ方向に貫通する貫通部として、冷媒流路形成部５５０と、冷媒流路形成部５５０に連通する冷媒供給スリット５５１および冷媒排出スリット５５２と、を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２８は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。

導電性多孔部材５５５は、面方向の面積が冷媒流路形成部５５０より一回り小さい多孔体であり、ステンレス鋼等の導電性材料で形成され、厚さが、中間プレート５００とほぼ同様である。導電性多孔部材５５５は、冷媒流路形成部５５０に配置され、セパレータ６００の３つのプレート３００、４００、５００を重ね合わせた際に、カソードプレート４００と、アノードプレート３００とを電気的に接続すると共に、冷却媒体が流れる流路として機能する。

反応ガスの供給流路形成部５４２、５４６と排出流路形成部５４４、５４８は、それぞれ対応するマニホールド形成部５２２〜５２８と一端が連通している。これらの流路形成部５４２、５４４、５４６、５４８の他端は、３つのプレート３００、４００、５００を接合した際に、それぞれ対応するガス供給／排出スリット４４０、４４４、３５０、３５４と連通する。

図９は、セパレータの正面図である。セパレータ６００は、上述したアノードプレート３００およびカソードプレート４００を、中間プレート５００を挟持するように中間プレート５００の両側にそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートを積層し、ホットプレスすることで、中間プレート５００とアノードプレート３００、および、中間プレート５００とカソードプレート４００とを接合する。この結果、図９においてハッチングで示す貫通部である６つのマニホールド１１０〜１６０と、酸化ガス供給流路６５０と、酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス供給流路６３０と、燃料ガス排出流路６４０と、冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。セパレータ６００において、積層方向に沿って各マニホールドを形成する面であって、これら流路６３０〜６７０と連通する面を、マニホールド内側形成面ＭＵＭとも呼び、積層方向に沿って各マニホールドを形成する面であって、マニホールド内側形成面ＭＵＭと対向する面をマニホールド外側形成面ＭＳＭとも呼ぶ。

なお、酸化ガス供給流路６５０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの供給流路形成部５４２（図８）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス供給スリット４４０（図６）によって形成される。酸化ガス排出流路６６０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの排出流路形成部５４４（図８）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス排出スリット４４４（図６）によって形成される。燃料ガス供給流路６３０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの供給流路形成部５４６（図８）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス供給スリット３５０（図７）によって形成される。燃料ガス排出流路６４０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの排出流路形成部５４８（図８）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス排出スリット３５４（図７）によって形成される。冷却媒体流路６７０は、冷媒流路形成部５５０（図８）と、冷媒供給スリット５５１（図８）と、冷媒排出スリット５５２（図８）とによって形成される。

図２、図４、図５に戻って、単セルアセンブリ２００の説明を続ける。図２に示すように、上述したセパレータ６００のカソードプレート４００側の面における発電領域ＤＡに、単セル構成部材８００が配置され、同じ面における発電領域ＤＡの外側の領域ＤＲ（以下、周囲領域ＤＲとも呼ぶ）にシール部材７００が配置されている。単セル構成部材８００は、図５に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）８１０と、ＭＥＡ８１０のアノード側の面に接して配置されたアノード側拡散層８２０と、ＭＥＡ８１０のカソード側の面に接して配置されたカソード側拡散層８３０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０と、から構成されている。アノード側多孔体８４０は、ＭＥＡ８１０のアノード側にアノード側拡散層８２０を挟んで配置され、カソード側多孔体８５０は、ＭＥＡ８１０のカソード側にカソード側拡散層８３０を挟んで配置されている。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００の発電領域ＤＡに接触している。アノード側多孔体８４０は、複数の単セルアセンブリ２００を積層して燃料電池１００を構成した際に、他の単セルアセンブリ２００のセパレータ６００におけるアノードプレート３００側の面に接触する。

ＭＥＡ８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜と、その両側の表面に塗布された触媒層とから構成されている。触媒層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含む層である。

アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。

アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、上述したアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。

Ａ２．セパレータを覆う被覆部を備えたシール部材の説明：
シール部材７００は、支持部７１０と、リブ７２０と、外側被覆部７３０と、内側被覆部７４０と、を備えている。シール部材７００は、絶縁性であって、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーなどの弾性材料により形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。

支持部７１０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における上述した周囲領域ＤＲの全体に接触している（図２、図５）。シール部材７００の支持部７１０とセパレータ６００のカソードプレート４００側の面との接触面ＳＵ（図５：太線）は、所定の結合力で接着されている。ここで「所定の結合力」とは、単セルアセンブリ２００が積層・締結されていない状態、すなわち、積層方向の負荷がかけられていない状態における結合力である。具体的には、接触面ＳＵの結合力は、シールラインの単位長さあたり０．０１Ｎ／ｍｍ（ニュートン毎ミリメートル）以上であることが好ましく、０．６Ｎ／ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

支持部７１０は、図４および図５において符号ＢＢで示すように、単セル構成部材８００の端部に含浸して一体化されている。これにより、単セル構成部材８００の端部において、ＭＥＡ８１０のカソード側からアノード側への、あるいは、アノード側からカソード側への反応ガスの漏洩が抑制される。

リブ７２０は、図５に示すように、支持部７１０から積層方向に突出するように支持部７１０の上部に形成されると共に、図４に示すように、単セル構成部材８００、各マニホールド１１０〜１６０を、それぞれ囲むように形成されている。リブ７２０は、単セルアセンブリ２００が積層され燃料電池１００を構成する際に、積層方向の締結力により、他の単セルアセンブリ２００のセパレータ６００のアノードプレート３００と気密に接触する。

外側被覆部７３０は、図５に示すように、支持部７１０の外周縁において、セパレータ６００の端面ＴＭを覆うように形成される。

内側被覆部７４０は、図５に示すように、セパレータ６００の各マニホールドにおけるマニホールド外側形成面ＭＳＭを覆うように形成される。

上述のように、シール部材７００は、単セル構成部材８００およびセパレータ６００と一体化している。言い換えれば、単セルアセンブリ２００において、セパレータ６００と、シール部材７００と、単セル構成部材８００とは、一体化されている。

Ａ３．燃料電池の動作
図１０を参照して、本実施例に係る燃料電池１００の動作について説明する。図１０は、燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図１０においては、２つの単セルアセンブリ２００が積層された様子を図示している。図１０（ａ）は、図９におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１０（ｂ）は、右側の半分が図９におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図９におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。

酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図１０（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス供給流路６５０を通って、カソード側多孔体８５０に供給される。カソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図４、９における上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出流路６６０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、カソード反応（例えば、２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ）に供される。

燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図１０（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス供給流路６３０を通って、アノード側多孔体８４０に供給される。アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図４、９における下方から上方に流動する。そして、燃料ガスは、燃料ガス排出流路６４０を通って、燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。アノード側多孔体８４０を流動する酸化ガスの一部は、アノード側多孔体８４０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、アノード反応（例えば、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）に供される。

冷却媒体供給マニホールド１５０に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１５０から冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。

以上のように、本実施例の燃料電池１００では、外側被覆部７３０が、セパレータ６００（カソードプレート４００またはアノードプレート３００）の端面ＴＭを含む周縁部を覆うように配置され、また、内側被覆部７４０が、セパレータ６００のマニホールド外側形成面ＭＳＭを含むマニホールド周縁部を覆うように配置されている（図５、図１０等）。このようにすれば、例えば、燃料電池１００が外力を受けたり、シール部材７００が劣化するなどによって、単セルアセンブリ２００が積層ずれを起こし、セパレータ６００同士が接近した場合であっても、セパレータ６００間に、外側被覆部７３０が挟まれるので、セパレータ６００同士が直接接触することを抑制することができる。その結果、セパレータ６００同士の接触に伴う短絡を抑制することができ、燃料電池１００の発電効率が低下することを抑制することができる。

また、本実施例の単セルアセンブリ２００において、ＭＥＡ８１０、シール部材７００、および、セパレータ６００とは、一体に形成されているので、単セルアセンブリ２００を積層する際、組み付け性、または、ハンドリング性を向上させると共に、燃料電池１００の製造時における製造工程の削減を図ることができる。

Ａ４．単セルアセンブリの製造方法：
図１１、図１２、および、図１３を参照して、上述した構成を有する単セルアセンブリ２００の製造方法を説明する。図１１は、本実施例における単セルアセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。図１２は、単セルアセンブリの製造時における成型工程を説明するための図である。図１３は、成形型を示す図である。図１２は、図１３におけるＦ−Ｆ断面に対応している。

先ず、一体化成型用の成形型を準備する（ステップＳ２０２）。成形型は、図１２（ａ）に示すように、上型９１０と下型９２０を有している。下型９２０は、図１２、図１３に示すように、セパレータ６００の位置決めを行うための凸部９２０Ａを有している。上型９１０は、凸部９２０Ａと嵌合する嵌合部９１０Ａと、成形材料の投入口ＳＨと、連通口ＲＨとを有している。

次いで、下型９２０に、セパレータ６００を配置する（ステップＳ２０４）。この場合、セパレータ６００のマニホールド内側形成面ＭＵＭが、凸部９２０Ａに当接するように、セパレータ６００を配置することで、セパレータ６００の位置決めを行うことができる。本実施例では、セパレータ６００は、アノードプレート３００側を下方に、カソードプレート４００側を上方にして、下型９２０に配置される。

次いで、下型９２０に配置したセパレータ６００にカソード側多孔体８５０を配置する（ステップＳ２０６）。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における発電領域ＤＡ（図６等）に配置される。

そして、配置したカソード側多孔体８５０に重ねて、ＭＥＧＡ８６０を配置する（ステップＳ２０８）。ＭＥＧＡ８６０は、上述したＭＥＡ８１０の両面にアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０を予めホットプレスによって接着して一体化したものである。

続いて、配置したＭＥＧＡ８６０に重ねて、アノード側多孔体８４０を配置する（ステップＳ２１０）。

こうして、セパレータ６００の発電領域ＤＡに、単セル構成部材８００を全て配置すると、所定の型圧で型締めし、射出成形を行う（ステップＳ２１２）。図１２（ｂ）には、下型９２０と上型９１０とが型締めされた状態が示されている。型締めされた状態において、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における周囲領域ＤＲの上方には、上述した単セルアセンブリ２００のシール部材７００の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図１２（ｂ）に示すように、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面と、下型９２０および上型９１０の内壁面と、単セル構成部材８００（アノード側多孔体８４０とＭＥＧＡ８６０とカソード側多孔体８５０）の端部とによって区画される。この空間ＳＰにおいて射出成形が行われる。具体的には、シール部材７００の成形材料としての液状ゴムが上述した投入口ＳＨから空間ＳＰに投入された後、加硫工程が行われる。連通口ＲＨは、投入口ＳＨより投入された成形材料を、空間ＳＰに拡散させる機能を有する。

この射出成形において、成形材料が単セル構成部材８００の端部に含浸する（図４および図５の領域ＢＢ）ことにより、単セル構成部材８００とシール部材７００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、シール部材７００とセパレータ６００の接触面ＳＵ（図５）の結合力が確保される。射出成形後、型開きして、シール部材７００と、単セル構成部材８００と、セパレータ６００とが一体化した単セルアセンブリ２００が得られる。

ところで、燃料電池の製造方法において、セパレータ６００の端面ＴＭを、成形型に押し当てて、端面ＴＭで、セパレータ６００の位置決めを行う方法が知られている。一方、本実施例の燃料電池１００の製造方法によれば、セパレータ６００のマニホールド内側形成面ＭＵＭで、セパレータ６００の位置決めを行っている。このようにすれば、セパレータ６００の端面ＴＭと成形型との間に、成形材料を投入可能な空間を作ることができる。その結果、セパレータ６００の端面ＴＭに、成形材料から成る外側被覆部７３０を形成することができる。

なお、本実施例において、セパレータ６００は、特許請求の範囲におけるセパレータに該当し、発電領域ＤＡは、特許請求の範囲における第１領域に該当し、周囲領域ＤＲは、特許請求の範囲における第２領域に該当し、単セル構成部材８００は、特許請求の範囲における単セル構成部材に該当し、シール部材７００は、特許請求の範囲におけるシール部材に該当し、外側被覆部７３０は、特許請求の範囲における第１絶縁部または第１被覆部に該当し、内側被覆部７４０は、第２絶縁部またはマニホールド絶縁部に該当する。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１４は、第２実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１４に示す第２実施例の単セルアセンブリ２００Ａにおいて、第１実施例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。マニホールド外側形成面ＭＳＭにおいて、アノードプレート３００に該当する部分をマニホールド外側形成面ＭＳＭ１とも呼び、カソードプレート４００に該当する部分をマニホールド外側形成面ＭＳＭ２とも呼ぶ。アノードプレート３００およびカソードプレート４００の端面を、それぞれ、端面ＴＭ１、端面ＴＭ２とも呼ぶ。

第２実施例の単セルアセンブリ２００Ａは、図１４に示すように、シール部材７００Ａが、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を備えておらず、一方で、セパレータ６００Ａの形状がセパレータ６００と異なっている。本実施例のセパレータ６００Ａにおいて、中間プレート５００Ａの一部が、被覆部５１０Ａおよび被覆部５２０Ａを形成している。被覆部５１０Ａは、アノードプレート３００およびカソードプレート４００の周縁部を巻き込むように配置・固着され、アノードプレート３００およびカソードプレート４００の各端面ＴＭ１、ＴＭ２を覆っている。被覆部５２０Ａは、アノードプレート３００およびカソードプレート４００のマニホールド周縁部を巻き込むように配置・固着され、アノードプレート３００およびカソードプレート４００のマニホールド外側形成面ＭＳＭ１、ＭＳＭ２を覆っている。

以上のように、第２実施例の単セルアセンブリ２００Ａでは、セパレータ同士の短絡を抑制する短絡抑制材として、第１実施例の外側被覆部７３０、内側被覆部７４０の代わりに、中間プレート５００Ａの一部である被覆部５１０Ａ、被覆部５２０Ａを用いている。このようにすれば、第１実施例の効果を奏すると共に、シール部材において、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を設ける必要がなく、シール部材の形状を簡易にでき、成形材料の射出成形を容易に行うことができる。

なお、本実施例において、アノードプレート３００またはカソードプレート４００は、特許請求の範囲における導電性板状部材に該当し、中間プレート５００は、特許請求の範囲における樹脂性板状部材に該当し、被覆部５１０Ａは、特許請求の範囲における第１絶縁部または第２被覆部に該当し、被覆部５２０Ａは、特許請求の範囲における第２絶縁部またはマニホールド絶縁部に該当する。

Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１５は、第３実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１５に示す第３実施例の単セルアセンブリ２００Ｂにおいて、第１実施例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。

第３実施例の単セルアセンブリ２００Ｂは、図１５に示すように、シール部材７００Ｂが、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を備えておらず、一方で、絶縁性キャップ状部材７７１、７７２を備えている。絶縁性キャップ状部材７７１は、セパレータ６００の端面ＴＭを含む周縁部を覆うように配置されている。絶縁性キャップ状部材７７２は、セパレータ６００のマニホールド外側形成面ＭＳＭを含むマニホールド周縁部を覆うように配置されている。

以上のように、第３実施例の単セルアセンブリ２００Ｂでは、セパレータ同士の短絡を抑制する短絡抑制材として、第１実施例の外側被覆部７３０、内側被覆部７４０の代わりに、絶縁性キャップ状部材７７１、７７２を用いている。このようにすれば、第１実施例の効果を奏すると共に、シール部材において、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を設ける必要がなく、成形材料の形状を簡易にでき、シール部材の射出成形を容易に行うことができる。

なお、絶縁性キャップ状部材７７１または絶縁性キャップ状部材７７２の厚さを厚くし、支持部７１０と同程度にしてもよい。このようにすれば、燃料電池を製造する際に、単セルアセンブリ２００Ｂを積層する際において、これら絶縁性キャップ状部材を位置決めに利用することができ、単セルアセンブリ２００Ｂの積層ずれを抑制することができる。

また、本実施例において、絶縁性キャップ状部材７７１は、特許請求の範囲における第１絶縁部またはキャップ状部材に該当し、絶縁性キャップ状部材７７２は、特許請求の範囲における第２絶縁部に該当する。

Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１６は、第４実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１６に示す第４実施例の単セルアセンブリ２００Ｃにおいて、第１実施例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。

第４実施例の単セルアセンブリ２００Ｃは、図１６に示すように、シール部材７００Ｃが、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を備えておらず、一方で、セパレータ６００Ｂが、酸化処理部７７３を備えている。酸化処理部７７３は、セパレータ６００Ｂの周囲領域ＤＲであってシール部材７００Ｂが形成されない部分、各端面ＴＭ１、端面ＴＭ２、マニホールド外側形成面ＭＳＭ１、および、マニホールド外側形成面ＭＳＭ２において、セパレータを酸化処理することによって形成される。

以上のように、第４実施例の単セルアセンブリ２００Ｃでは、第１実施例の外側被覆部７３０、内側被覆部７４０の代わりに、セパレータ６００Ｂに酸化処理部７７３が形成されている。このようにすれば、第１実施例の効果を奏すると共に、新たに、セパレータ同士の短絡を抑制する短絡抑制材を設ける必要がなく、部品点数を軽減することができる。また、シール部材において、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を設ける必要がなく、シール部材の形状を簡易にでき、成形材料の射出成形を容易に行うことができる。

なお、本実施例において、酸化処理部７７３は、特許請求の範囲における第１絶縁部、酸化処理部、第２絶縁部、または、マニホールド絶縁部に該当する。

Ｅ．第５実施例：
本発明の第５実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１７は、第５実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１７に示す第５実施例の単セルアセンブリ２００Ｄにおいて、第１実施例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。

第５実施例の単セルアセンブリ２００Ｄは、図１７に示すように、シール部材７００Ｄが、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を備えておらず、一方で、セパレータ６００に絶縁性材料７７５が塗工されている。絶縁性材料７７５は、アルミナやマグネシアなどの絶縁性を有する材料から構成され、セパレータ６００の端面ＴＭを含む周縁部、および、セパレータ６００のマニホールド外側形成面ＭＳＭを含むマニホールド周縁部に塗工されている。

以上のように、第５実施例の単セルアセンブリ２００Ｂでは、セパレータ同士の短絡を抑制する短絡抑制材として、第１実施例の外側被覆部７３０、内側被覆部７４０の代わりに、絶縁性材料７７５が塗工されている。このようにすれば、第１実施例の効果を奏すると共に、シール部材において、外側被覆部７３０および内側被覆部７４０を設ける必要がなく、シール部材の形状を簡易にでき、成形材料の射出成形を容易に行うことができる。

なお、本実施例において、塗工された絶縁性材料７７５は、特許請求の範囲における第１絶縁部、第２絶縁部、または、マニホールド絶縁部に該当する。

Ｆ．第６実施例：
本発明の第６実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１８は、第６実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１８に示す第６実施例の単セルアセンブリ２００Ｅにおいて、第１実施例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。

第６実施例の単セルアセンブリ２００Ｅは、図１８に示すように、シール部材７００Ｅが、積層方向に伸びる突起部７７７を複数備えている。なお、この突起部７７７は、リブ７２０よりも高さが低く、すなわち、単セルアセンブリ２００Ｅを積層した際に、セパレータ６００とは接触しない。このようにすれば、第１実施例の効果を奏すると共に、燃料電池を製造する際に、単セルアセンブリ２００Ｅを積層する際において、これら突起部７７７を位置決めに利用することができ、単セルアセンブリ２００Ｅの積層ずれを抑制することができる。

なお、本実施例において、突起部７７７は、特許請求の範囲における第１突起部または第２突起部に該当する。

Ｇ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、例えば以下のような変形も可能である。

Ｇ１．変形例１：
上記各実施例では、単セル構成部材８００の各部材やセパレータ６００の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ６００は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。

Ｇ２．変形例２：
上記実施例において、中間プレート５００の冷媒流路形成部５５０に配置する部材として、導電性多孔部材５５５を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性多孔部材５５５の代わりに、導電性の波板状部材を用いるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、射出成形によってシール部材を形成しているが、これに代えて、圧縮成形によってシール部材を形成しても良い。例えば、成形型の空間ＳＰに固形の未加硫ゴムを充填し、成形型を型締めして加熱することにより、形状を成形することと加硫を同時に行う熱加硫圧縮成形などが用いられ得る。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

Ｇ４．変形例４：
上記各実施例では、単セル構成部材８００の端部は、同一の平面上に位置している、すなわち単セル構成部材８００の端面が１つの平面によって形成されているが、必ずしもそうである必要は無い。単セル構成部材８００を構成するＭＥＡ８１０、アノード側拡散層８２０、カソード側拡散層８３０、アノード側多孔体８４０、カソード側多孔体８５０の端面は、それぞれずれた位置にあってもよい。すなわち単セル構成部材８００の端面が複数の面によって形成されていてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

Ｇ５．変形例５：
上記各実施例では、セパレータ６００は３層の金属板を積層した構成であり、その形状は表面が平坦な形状であるとしているが、セパレータ６００の構成は他の任意の構成とすることが可能であり、またセパレータ６００の形状は他の任意の形状とすることが可能である。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

第１実施例における燃料電池１００の構成を示す説明図である。 燃料電池１００を構成する単セルアセンブリ２００の側面図である。 第１実施例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。 単セルアセンブリ２００の正面図（図２における右側から見た図）を示す図である。 図４におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 カソードプレート４００の形状を示す説明図である。 アノードプレート３００の形状を示す説明図である。 中間プレート５００の形状を説明図である。 セパレータの正面図である。 燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。 第１実施例における単セルアセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。 単セルアセンブリの製造時における成型工程を説明するための図である。 成形型を示す図である。 第２実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。 第３実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。 第４実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。 第５実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。 第６実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１１０〜１６０…マニホールド
２００，２００Ａ〜２００Ｅ…単セルアセンブリ
３００…アノードプレート
４００…カソードプレート
４００…プレート
５００，５００Ａ…中間プレート
５１０Ａ…被覆部
５２０Ａ…被覆部
５５５…導電性多孔部材
６００，６００Ａ，６００Ｂ…セパレータ
６３０…燃料ガス供給流路
６４０…燃料ガス排出流路
６５０…酸化ガス供給流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００，７００Ａ〜７００Ｅ…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
７３０…外側被覆部
７４０…内側被覆部
７７１，７７２…絶縁性キャップ状部材
７７３…酸化処理部
７７５…絶縁性材料
７７７…突起部
８００…単セル構成部材
８１０…ＭＥＡ
８２０…アノード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
９１０…上型
９１０Ａ…嵌合部
９２０…下型
９２０Ａ…凸部
ＤＡ…発電領域
ＳＨ…投入口
ＲＨ…連通口
ＳＰ…空間
ＤＲ…周囲領域
ＳＵ…接触面
ＴＭ，ＴＭ１，ＴＭ２…端面
ＭＳＭ，ＭＳＭ１，ＭＳＭ２…マニホールド外側形成面
ＭＵＭ…マニホールド内側形成面

Claims (5)

1. 複数積層されることにより燃料電池を形成する単セルアセンブリであって、
   セパレータと、
   前記セパレータの一方の面における第１領域に配置される単セル構成部材と、
   弾性部材から構成され、前記セパレータの一方の面における前記第１領域を囲む第２領域に接着されると共に、前記単セル構成部材の周縁部の少なくとも一部と一体化されるシール部材と、
   絶縁性を有し、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に設けられる第１絶縁部と、
   を備え、
   前記シール部材は、前記第１絶縁部として、前記セパレータの周縁部における端面を覆う第１被覆部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。
2. 請求項１に記載の単セルアセンブリにおいて、
   前記第１絶縁部は、
   前記単セルアセンブリの厚さ方向に伸びる第１突起部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。
3. 請求項１または２に記載の単セルアセンブリにおいて、
   前記セパレータは、
   前記単セルアセンブリの厚さ方向に貫通し、反応ガス、または、冷却媒体が流れるマニホールドが形成され、
   前記単セルアセンブリは、
   絶縁性を有し、前記セパレータの前記マニホールドの周縁部に設けられる第２絶縁部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。
4. 請求項３に記載の単セルアセンブリにおいて、
   前記第２絶縁部は、
   前記単セルアセンブリの厚さ方向に伸びる第２突起部を備えることを特徴とする単セルアセンブリ。
5. 燃料電池であって、
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の単セルアセンブリを複数積層して成る燃料電池。

Images