燃料電池およびその製造方法
【課題】シール部材の変形によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれるのを防止することのできる燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池は、膜電極複合体１３と共に２つのセパレータ８、１０の隙間に保持され、膜電極複合体１３および複数のガス流路７、９を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材１５と、ガス拡散層７、９のセパレータ８、１０に対向する側に設けられ、複数の単位セル１に荷重が付与されるとシール部材１５よりも先に荷重の付与に伴って押し潰される突起部と１７とを備えたことを特徴とするものである。
【解決手段】本発明に係る燃料電池は、膜電極複合体１３と共に２つのセパレータ８、１０の隙間に保持され、膜電極複合体１３および複数のガス流路７、９を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材１５と、ガス拡散層７、９のセパレータ８、１０に対向する側に設けられ、複数の単位セル１に荷重が付与されるとシール部材１５よりも先に荷重の付与に伴って押し潰される突起部と１７とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、特に膜電極複合体とセパレータの位置ズレを防止することのできる燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
一般的に固体高分子型の燃料電池では、燃料極および酸化剤極の外側をそれぞれガス拡散層およびセパレータで挟持することで単位セルを構成し、この単位セルを１００〜２００層程度積層した状態で０．５〜３．０ＭＰａ程度の圧力をかけることにより燃料電池スタックを形成する。また単位セルのガス拡散層は、その周囲に額縁状に配置されたシール部材とセパレータによってシール（密封）されており、燃料電池の反応部から燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れないようになっている。
【０００５】
従来の固体高分子型燃料電池では、積層された単位セルに圧力をかける際にシール部材（パッキング）がセパレータによって押し潰されて燃料電池の反応部を十分にシールできるように、圧力をかける前においてシール部材の高さが膜電極複合体の厚さよりも高くなるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許２９２２１３２号公報（第２頁、図１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来の固体高分子型燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、積層された単位セルに圧力をかける工程の初期において、弾性体からなるシール部材とセパレータのみが接触するため、シール部材の変形によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれてしまうという問題点があった。このとき、単位セルの積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブ（ガス流路の仕切り部分）が重なり合うと、本来両側のリブで挟持されるはずのガス拡散層の部分が減少して、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、シール部材の変形によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれ、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することのできる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、を有する膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に接合され、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる複数のガス流路を有する２つのセパレータと、を備えた単位セルを複数積層し、この積層された複数の単位セルに荷重を付与することにより構成された燃料電池において、前記膜電極複合体と共に前記２つのセパレータの隙間に保持され、前記膜電極複合体および前記複数のガス流路を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材と、前記ガス拡散層の前記セパレータに対向する側に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明に係る燃料電池の製造方法は、板状部材を型で圧縮することにより前記板状部材に突起部を形成してガス拡散層を製造する工程と、前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、膜電極複合体と共に２つのセパレータの隙間に保持されるシール部材と、ガス拡散層に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部とを備えているため、この突起部とセパレータの接触摩擦によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれるのを防止することができる。これにより、単位セルの積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブが重なり合ってガス拡散層にかかる面圧が過大になることや、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することが可能となる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池の製造方法では、板状部材を型で圧縮することにより板状部材に突起部を形成し、その後、単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、突起部およびシール部材を押し潰すため、容易且つ短時間に上記の燃料電池を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
図５は、一般的な燃料電池の単位セル１００の反応部を示す部分縦断面図である。一般的な燃料電池は、図５に示すような単位セル１００を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図５は、図６に示す燃料電池が組み立てられた状態のＸ−Ｘ断面を示している。また図５（ａ）は、燃料電池の単位セル１００に荷重（圧力）が付与される前の状態を示し、図５（ｂ）は燃料電池の単位セル１００に荷重が付与された後の状態を示している。
【００１３】
単位セル１００は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）１０２と、電解質膜１０２を両側から挟むアノード触媒層（電極層、燃料極）１０３とカソード触媒層（電極層、酸化剤極）１０４と、アノード触媒層１０３の外側に設けられたアノードガス拡散層１０５と、カソード触媒層１０４の外側に設けたカソードガス拡散層１０６とを備える。また、アノードガス拡散層１０５側の面に設けられ、複数の水素流路（ガス流路）１０７を有するアノードセパレータ１０８と、カソードガス拡散層１０６側の面に設けられ、複数の空気流路（ガス流路）１０９を有するカソードセパレータ１１０を備える。さらにアノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０には、水素流路１０７、空気流路１０９の間にリブ１１１、リブ１１２が設けられている。このリブ１１１、リブ１１２により、水素流路１０７、空気流路１０９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路１０９は、後述する空気導入マニホールド１２０側から空気排出マニホールド１２１側に直線状に延び、互いに平行な状態で区画形成されている（図６参照）。
【００１４】
本発明では、電解質膜１０２とアノード触媒層１０３とカソード触媒層１０４とアノードガス拡散層１０５とカソードガス拡散層１０６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１３を構成しているものとする。また膜電極複合体１１３の周囲には、膜電極複合体１１３と共に２つのセパレータの隙間に保持され、単位セル１００に荷重が付与されたときに膜電極複合体１１３および水素流路１０７、空気流路１０９を含む空間とその外部の空間を仕切るシール部材１１５が設けられている。シール部材１１５は、例えば耐熱ゴム等の弾性材料からなり、膜電極複合体１１３および水素流路１０７、空気流路１０９を含む空間をシールして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部の空間に漏れるのを防止する機能を有する。
【００１５】
アノード触媒層１０３、カソード触媒層１０４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層１０５、カソードガス拡散層１０６は、導電性の多孔質カーボン材料等からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。
【００１６】
図６は、図５に示す単位セル１００からアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０を取り外した状態の分解図である。図６では、カソードセパレータ１１０側に膜電極複合体１１３が接合された状態を示しており、またシール部材１１５を線として示している。
【００１７】
アノードセパレータ１０８は、水素流路１０７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）１２４と、反応部において反応しなかった水素を水素流路１０７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）１２５とを備える。水素流路１０７と水素導入マニホールド１２４はディフューザー１２６によって連結し、水素流路１０７と水素排出マニホールド１２５はディフューザー１２７によって連結している。
【００１８】
カソードセパレータ１１０は、膜電極複合体１１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路１０９を備え、空気流路１０９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）１２０と、反応部において反応しなかった空気を空気流路１０９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）１２１を備える。さらにアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０は、冷却水流路（図示せず）に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド１２８と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１２９とを備える。図５および図６に示す単位セル１００は、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型のものである。
【００１９】
図５（ａ）に示すように、単位セル１００が積層されて荷重が付与される前の状態では、水素流路１０７の中心線Ａと空気流路１０９の中心線Ｂの位置が合わされている。このまま水素流路１０７の中心線Ａと空気流路１０９の中心線Ｂの位置が合わされた状態で単位セル１００に荷重が付与されれば、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかることはなく、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがない。なお、単位セル１００の積層方向に荷重が付与されたときに膜電極複合体１１３等を確実にシールするため、単位セル１００に荷重が付与される前においてシール部材１１５からアノードセパレータ１０８までの距離（最短距離）Ｃは、膜電極複合体１１３からアノードセパレータ１０８までの距離（最短距離）Ｄよりも短くなっている。これにより、単位セル１００に荷重が付与されたときにシール部材１１５が押し潰され、膜電極複合体１１３等が確実にシールされる。なお、シール部材１１５はカソードセパレータ１１０側にも設けられており、シール部材１１５とカソードセパレータ１１０の関係はシール部材１１５とアノードセパレータ１０８の関係と同様である。
【００２０】
しかし図５（ｂ）に示すように、単位セル１００が積層されて荷重が付与された状態では、水素流路１０７の中心線Ａ′と空気流路１０９の中心線Ｂ′が一致せず、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持した状態とならない場合がある。これは、シール部材１１５が押し潰される際に横方向に弾性変形し、それに伴ってアノードセパレータ１０８やカソードセパレータ１１０の位置がずれるためである。また図５（ｂ）の状態では、一方のセパレータに設けられたガス流路と他方のセパレータに設けられたリブが単位セルの積層方向から見て重なり合う状態となり、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかったり、アノードガス拡散層１０５やカソードガス拡散層１０６がガス流路に落ち込んでアノードガス拡散層１０５やカソードガス拡散層１０６が損傷する恐れがある。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１の反応部を示す部分縦断面図である。本実施形態に係る燃料電池は、図１に示すような単位セル１を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図１は、図２に示す燃料電池が組み立てられた状態のＹ−Ｙ断面を示している。また図１（ａ）は、燃料電池の単位セル１に荷重（圧力）が付与される前の状態を示し、図１（ｂ）は燃料電池の単位セル１に荷重が付与された後の状態を示している。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図２では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２３】
以下、本発明の実施形態１に係る燃料電池について図１および図２を参照しながら説明する。
【００２４】
図１および図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６には、単位セル１の積層方向から見てドット状の形状を有する突起部１７が複数設けられている。この突起部１７は、複数の単位セル１に荷重が付与されるとシール部材１５よりも先に荷重の付与に伴って押し潰されるように単位セル１の積層方向についての高さが設定されている。例えば本実施形態では、荷重を付与する際に突起部１７がシール部材１５よりもいずれかのセパレータに先に接触するように、荷重を付与する前においてアノードセパレータ８側の突起部１７からアノードセパレータ８までの距離（最短距離）Ｅが、アノードセパレータ８側のシール部材１５からアノードセパレータ８までの距離（最短距離）Ｆよりも短くなるように突起部１７の高さが設定されており、カソードセパレータ１０側についても同様の構成となっている（図１（ａ））。このように突起部１７の高さを設定するのは、積層された単位セル１に荷重を付与する際に突起部１７がシール部材１５よりも先に押し潰されるようにすることで突起部１７とセパレータとの間に接触摩擦を発生させ、図５（ｂ）に示すようなセパレータの位置ずれを防止するためである。
【００２５】
また本実施形態では、個々の突起部１７の横幅、すなわちそれぞれのセパレータの短手方向の幅が、ガス流路（水素流路７または空気流路９）の幅よりも大きくなっている。図２に示す例では突起部１７が単位セル１の積層方向から見て円状であるので、その円の直径がガス流路の幅（セパレータの短手方向の幅）よりも大きくなっている。これにより、突起部１７がリブ１１またはリブ１２によって確実に押し潰されるため、突起部１７がガス流路に嵌り込んでガスの流れを阻害することを防止することができる。なお必ずしも突起部１７の横幅をガス流路の幅よりも大きくする必要はないが、単位セル１に荷重を付与する際に突起部１７が少なくとも１つのリブ（リブ１１またはリブ１２）と単位セル１の積層方向について重なり合うようにするのが望ましい。これにより、突起部１７がガス流路に嵌り込んでガスの流れを阻害することを防止することができる。
【００２６】
なお単位セル１が積層されて荷重が付与された状態では（図１（ｂ））、突起部１７はほぼ完全に押し潰された状態となる。一方、シール部材１５は完全には押し潰されず若干圧縮された状態で膜電極複合体１３等をシールする。このように、部分的に圧縮されることにより全体がほぼ押し潰される突起部１７の材料としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン材料を用いることができ、突起部１７とガス拡散層（アノードガス拡散層５またはカソードガス拡散層６）を一体形成することもできる。図１（ｂ）に示すように本実施形態に係る燃料電池では、突起部１７とセパレータとの間の接触摩擦により膜電極複合体１３とアノードセパレータ８およびカソードセパレータの位置ズレを防止することができるため、水素流路１０７の中心線Ａ′と空気流路１０９の中心線Ｂ′が一致した状態となる。
【００２７】
ここで本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。なお本実施形態に特徴的な部分を主に説明し、一般的な燃料電池の製造工程については簡単に説明する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池の単位セル１のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン材料からなる板状部材を型で圧縮することにより製造することができる。この型は突起部１７に対応する部分に凹部または穴が形成されており、この型で圧縮された板状部材には突起部１７が形成されてガス拡散層となる。
【００２９】
そして、電解質膜の両側に電極層を接合し、さらにその両側に突起部１７が形成されたガス拡散層を接合して膜電極複合体１３を製造する。
【００３０】
それから、この膜電極複合体１３の周辺の例えば電解質膜が露出した部分に耐熱ゴム等からなるシール部材を取り付ける。
【００３１】
次に、この膜電極複合体１３の両側にアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を接合して単位セル１を製造する。
【００３２】
最後に、この単位セル１を複数積層した状態で荷重を付与することにより突起部１７およびシール部材１５を押し潰し、膜電極複合体１３および２つのセパレータをしっかりと接触させて本実施形態に係る燃料電池のスタックが完成する。
【００３３】
なお上記の製造方法では、板状部材を型で圧縮することにより突起部１７を形成しているが、例えばカーボン材料等からなる板状部材にカーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなる突起部を取り付けてガス拡散層を形成するようにしてもよい。
【００３４】
本実施形態では、膜電極複合体１３と共に２つのセパレータ８、１０の隙間に保持されるシール部材１５と、ガス拡散層５、６に設けられ、複数の単位セル１に荷重を付与する際にシール部材１５よりも先にセパレータ８、１０に接触するように単位セル１の積層方向ついての高さが設定された突起部１７とを備えているため、この突起部１７とセパレータ８、１０の接触摩擦によりセパレータ８、１０とガス拡散層５、６の相対位置がずれるのを防止することができる。これにより、単位セル１の積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブが重なり合ってガス拡散層にかかる面圧が過大になることや、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することが可能となる。
【００３５】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図３では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて実施形態１または図５および図６に示す燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３６】
本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体１３のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６にセパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有する突起部１７が設けられている。なお突起部１７がカーボンペーパー等で形成されている場合には、図３に示す燃料電池の単位セル１に荷重が付与されたときにガス流路に対応する部分の突起部１７はほぼ完全に押し潰される。しかし仮にガス流路に対応する部分の突起部１７が若干隆起した場合でも、突起部１７はセパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有するため、ガスの配流バラツキは小さく抑えられる。なお、その他の効果および製造方法等については実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３７】
（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図４では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて実施形態１または図５および図６に示す燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３８】
本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体１３のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６に２つのセパレータの短手方向と０度でない所定の角度θを成す直線状の形状を有する突起部１７が２本設けられている。なお突起部１７は、１本または３本以上設けるようにしてもよい。
【００３９】
図４に示す燃料電池では２本の突起部１７のそれぞれにおいて、一方の端部が空気導入マニホールド２０に近く、他方の端部が空気排出マニホールド２１の近くになるように形成されており、２本の突起部１７がカソードセパレータ１０のほぼ対角線上に設けられた空気導入マニホールド２０から空気排出マニホールド２１へ向かう方向に傾斜している。なお突起部１７がカーボンペーパー等で形成されている場合には、図３に示す燃料電池の単位セル１に荷重が付与されたときにガス流路に対応する部分の突起部１７はほぼ完全に押し潰されるが、仮にガス流路に対応する部分の突起部１７が若干隆起した場合でも、突起部１７が空気導入マニホールド２０から空気排出マニホールド２１へ向かう方向に傾斜しているため、ガスの配流バラツキは最小限に抑えられる。なお、その他の効果および製造方法等については実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００４０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、突起部１７は任意の形状で任意の個数設けることができる。また、突起部１７をリブ１１、リブ１２に対応する部分のみに設けるようにし、単位セルに荷重が付与された際に突起部１７が確実に押し潰されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図５】一般的な燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図６】図５に示す単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【符号の説明】
【００４２】
１，１００ 単位セル
２、１０２ 電解質膜
３、１０３ アノード触媒層
４、１０４ カソード触媒層
５、１０５ アノードガス拡散層
６、１０６ カソードガス拡散層
７、１０７ 水素流路
８、１０８ アノードセパレータ
９，１０９ 空気流路
１０、１１０ カソードセパレータ
１１、１１１ リブ
１２、１１２ リブ
１３、１１３ 膜電極複合体
１５ シール部材
１７ 突起部
２０、１２０ 空気導入マニホールド
２１、１２１ 空気排出マニホールド
２４、１２４ 水素導入マニホールド
２５、１２５ 水素排出マニホールド
２６、１２６ ディフューザー
２７、１２７ ディフューザー
２８、１２８ 冷却水導入マニホールド
２９、１２９ 冷却水排出マニホールド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、特に膜電極複合体とセパレータの位置ズレを防止することのできる燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
一般的に固体高分子型の燃料電池では、燃料極および酸化剤極の外側をそれぞれガス拡散層およびセパレータで挟持することで単位セルを構成し、この単位セルを１００〜２００層程度積層した状態で０．５〜３．０ＭＰａ程度の圧力をかけることにより燃料電池スタックを形成する。また単位セルのガス拡散層は、その周囲に額縁状に配置されたシール部材とセパレータによってシール（密封）されており、燃料電池の反応部から燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れないようになっている。
【０００５】
従来の固体高分子型燃料電池では、積層された単位セルに圧力をかける際にシール部材（パッキング）がセパレータによって押し潰されて燃料電池の反応部を十分にシールできるように、圧力をかける前においてシール部材の高さが膜電極複合体の厚さよりも高くなるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許２９２２１３２号公報（第２頁、図１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来の固体高分子型燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、積層された単位セルに圧力をかける工程の初期において、弾性体からなるシール部材とセパレータのみが接触するため、シール部材の変形によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれてしまうという問題点があった。このとき、単位セルの積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブ（ガス流路の仕切り部分）が重なり合うと、本来両側のリブで挟持されるはずのガス拡散層の部分が減少して、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、シール部材の変形によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれ、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することのできる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、を有する膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に接合され、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる複数のガス流路を有する２つのセパレータと、を備えた単位セルを複数積層し、この積層された複数の単位セルに荷重を付与することにより構成された燃料電池において、前記膜電極複合体と共に前記２つのセパレータの隙間に保持され、前記膜電極複合体および前記複数のガス流路を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材と、前記ガス拡散層の前記セパレータに対向する側に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明に係る燃料電池の製造方法は、板状部材を型で圧縮することにより前記板状部材に突起部を形成してガス拡散層を製造する工程と、前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、膜電極複合体と共に２つのセパレータの隙間に保持されるシール部材と、ガス拡散層に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部とを備えているため、この突起部とセパレータの接触摩擦によりセパレータとガス拡散層の相対位置がずれるのを防止することができる。これにより、単位セルの積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブが重なり合ってガス拡散層にかかる面圧が過大になることや、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することが可能となる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池の製造方法では、板状部材を型で圧縮することにより板状部材に突起部を形成し、その後、単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、突起部およびシール部材を押し潰すため、容易且つ短時間に上記の燃料電池を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
図５は、一般的な燃料電池の単位セル１００の反応部を示す部分縦断面図である。一般的な燃料電池は、図５に示すような単位セル１００を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図５は、図６に示す燃料電池が組み立てられた状態のＸ−Ｘ断面を示している。また図５（ａ）は、燃料電池の単位セル１００に荷重（圧力）が付与される前の状態を示し、図５（ｂ）は燃料電池の単位セル１００に荷重が付与された後の状態を示している。
【００１３】
単位セル１００は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）１０２と、電解質膜１０２を両側から挟むアノード触媒層（電極層、燃料極）１０３とカソード触媒層（電極層、酸化剤極）１０４と、アノード触媒層１０３の外側に設けられたアノードガス拡散層１０５と、カソード触媒層１０４の外側に設けたカソードガス拡散層１０６とを備える。また、アノードガス拡散層１０５側の面に設けられ、複数の水素流路（ガス流路）１０７を有するアノードセパレータ１０８と、カソードガス拡散層１０６側の面に設けられ、複数の空気流路（ガス流路）１０９を有するカソードセパレータ１１０を備える。さらにアノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０には、水素流路１０７、空気流路１０９の間にリブ１１１、リブ１１２が設けられている。このリブ１１１、リブ１１２により、水素流路１０７、空気流路１０９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路１０９は、後述する空気導入マニホールド１２０側から空気排出マニホールド１２１側に直線状に延び、互いに平行な状態で区画形成されている（図６参照）。
【００１４】
本発明では、電解質膜１０２とアノード触媒層１０３とカソード触媒層１０４とアノードガス拡散層１０５とカソードガス拡散層１０６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１３を構成しているものとする。また膜電極複合体１１３の周囲には、膜電極複合体１１３と共に２つのセパレータの隙間に保持され、単位セル１００に荷重が付与されたときに膜電極複合体１１３および水素流路１０７、空気流路１０９を含む空間とその外部の空間を仕切るシール部材１１５が設けられている。シール部材１１５は、例えば耐熱ゴム等の弾性材料からなり、膜電極複合体１１３および水素流路１０７、空気流路１０９を含む空間をシールして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部の空間に漏れるのを防止する機能を有する。
【００１５】
アノード触媒層１０３、カソード触媒層１０４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層１０５、カソードガス拡散層１０６は、導電性の多孔質カーボン材料等からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。
【００１６】
図６は、図５に示す単位セル１００からアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０を取り外した状態の分解図である。図６では、カソードセパレータ１１０側に膜電極複合体１１３が接合された状態を示しており、またシール部材１１５を線として示している。
【００１７】
アノードセパレータ１０８は、水素流路１０７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）１２４と、反応部において反応しなかった水素を水素流路１０７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）１２５とを備える。水素流路１０７と水素導入マニホールド１２４はディフューザー１２６によって連結し、水素流路１０７と水素排出マニホールド１２５はディフューザー１２７によって連結している。
【００１８】
カソードセパレータ１１０は、膜電極複合体１１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路１０９を備え、空気流路１０９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）１２０と、反応部において反応しなかった空気を空気流路１０９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）１２１を備える。さらにアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０は、冷却水流路（図示せず）に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド１２８と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１２９とを備える。図５および図６に示す単位セル１００は、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型のものである。
【００１９】
図５（ａ）に示すように、単位セル１００が積層されて荷重が付与される前の状態では、水素流路１０７の中心線Ａと空気流路１０９の中心線Ｂの位置が合わされている。このまま水素流路１０７の中心線Ａと空気流路１０９の中心線Ｂの位置が合わされた状態で単位セル１００に荷重が付与されれば、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかることはなく、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがない。なお、単位セル１００の積層方向に荷重が付与されたときに膜電極複合体１１３等を確実にシールするため、単位セル１００に荷重が付与される前においてシール部材１１５からアノードセパレータ１０８までの距離（最短距離）Ｃは、膜電極複合体１１３からアノードセパレータ１０８までの距離（最短距離）Ｄよりも短くなっている。これにより、単位セル１００に荷重が付与されたときにシール部材１１５が押し潰され、膜電極複合体１１３等が確実にシールされる。なお、シール部材１１５はカソードセパレータ１１０側にも設けられており、シール部材１１５とカソードセパレータ１１０の関係はシール部材１１５とアノードセパレータ１０８の関係と同様である。
【００２０】
しかし図５（ｂ）に示すように、単位セル１００が積層されて荷重が付与された状態では、水素流路１０７の中心線Ａ′と空気流路１０９の中心線Ｂ′が一致せず、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持した状態とならない場合がある。これは、シール部材１１５が押し潰される際に横方向に弾性変形し、それに伴ってアノードセパレータ１０８やカソードセパレータ１１０の位置がずれるためである。また図５（ｂ）の状態では、一方のセパレータに設けられたガス流路と他方のセパレータに設けられたリブが単位セルの積層方向から見て重なり合う状態となり、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかったり、アノードガス拡散層１０５やカソードガス拡散層１０６がガス流路に落ち込んでアノードガス拡散層１０５やカソードガス拡散層１０６が損傷する恐れがある。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１の反応部を示す部分縦断面図である。本実施形態に係る燃料電池は、図１に示すような単位セル１を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図１は、図２に示す燃料電池が組み立てられた状態のＹ−Ｙ断面を示している。また図１（ａ）は、燃料電池の単位セル１に荷重（圧力）が付与される前の状態を示し、図１（ｂ）は燃料電池の単位セル１に荷重が付与された後の状態を示している。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図２では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２３】
以下、本発明の実施形態１に係る燃料電池について図１および図２を参照しながら説明する。
【００２４】
図１および図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６には、単位セル１の積層方向から見てドット状の形状を有する突起部１７が複数設けられている。この突起部１７は、複数の単位セル１に荷重が付与されるとシール部材１５よりも先に荷重の付与に伴って押し潰されるように単位セル１の積層方向についての高さが設定されている。例えば本実施形態では、荷重を付与する際に突起部１７がシール部材１５よりもいずれかのセパレータに先に接触するように、荷重を付与する前においてアノードセパレータ８側の突起部１７からアノードセパレータ８までの距離（最短距離）Ｅが、アノードセパレータ８側のシール部材１５からアノードセパレータ８までの距離（最短距離）Ｆよりも短くなるように突起部１７の高さが設定されており、カソードセパレータ１０側についても同様の構成となっている（図１（ａ））。このように突起部１７の高さを設定するのは、積層された単位セル１に荷重を付与する際に突起部１７がシール部材１５よりも先に押し潰されるようにすることで突起部１７とセパレータとの間に接触摩擦を発生させ、図５（ｂ）に示すようなセパレータの位置ずれを防止するためである。
【００２５】
また本実施形態では、個々の突起部１７の横幅、すなわちそれぞれのセパレータの短手方向の幅が、ガス流路（水素流路７または空気流路９）の幅よりも大きくなっている。図２に示す例では突起部１７が単位セル１の積層方向から見て円状であるので、その円の直径がガス流路の幅（セパレータの短手方向の幅）よりも大きくなっている。これにより、突起部１７がリブ１１またはリブ１２によって確実に押し潰されるため、突起部１７がガス流路に嵌り込んでガスの流れを阻害することを防止することができる。なお必ずしも突起部１７の横幅をガス流路の幅よりも大きくする必要はないが、単位セル１に荷重を付与する際に突起部１７が少なくとも１つのリブ（リブ１１またはリブ１２）と単位セル１の積層方向について重なり合うようにするのが望ましい。これにより、突起部１７がガス流路に嵌り込んでガスの流れを阻害することを防止することができる。
【００２６】
なお単位セル１が積層されて荷重が付与された状態では（図１（ｂ））、突起部１７はほぼ完全に押し潰された状態となる。一方、シール部材１５は完全には押し潰されず若干圧縮された状態で膜電極複合体１３等をシールする。このように、部分的に圧縮されることにより全体がほぼ押し潰される突起部１７の材料としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン材料を用いることができ、突起部１７とガス拡散層（アノードガス拡散層５またはカソードガス拡散層６）を一体形成することもできる。図１（ｂ）に示すように本実施形態に係る燃料電池では、突起部１７とセパレータとの間の接触摩擦により膜電極複合体１３とアノードセパレータ８およびカソードセパレータの位置ズレを防止することができるため、水素流路１０７の中心線Ａ′と空気流路１０９の中心線Ｂ′が一致した状態となる。
【００２７】
ここで本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。なお本実施形態に特徴的な部分を主に説明し、一般的な燃料電池の製造工程については簡単に説明する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池の単位セル１のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン材料からなる板状部材を型で圧縮することにより製造することができる。この型は突起部１７に対応する部分に凹部または穴が形成されており、この型で圧縮された板状部材には突起部１７が形成されてガス拡散層となる。
【００２９】
そして、電解質膜の両側に電極層を接合し、さらにその両側に突起部１７が形成されたガス拡散層を接合して膜電極複合体１３を製造する。
【００３０】
それから、この膜電極複合体１３の周辺の例えば電解質膜が露出した部分に耐熱ゴム等からなるシール部材を取り付ける。
【００３１】
次に、この膜電極複合体１３の両側にアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を接合して単位セル１を製造する。
【００３２】
最後に、この単位セル１を複数積層した状態で荷重を付与することにより突起部１７およびシール部材１５を押し潰し、膜電極複合体１３および２つのセパレータをしっかりと接触させて本実施形態に係る燃料電池のスタックが完成する。
【００３３】
なお上記の製造方法では、板状部材を型で圧縮することにより突起部１７を形成しているが、例えばカーボン材料等からなる板状部材にカーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなる突起部を取り付けてガス拡散層を形成するようにしてもよい。
【００３４】
本実施形態では、膜電極複合体１３と共に２つのセパレータ８、１０の隙間に保持されるシール部材１５と、ガス拡散層５、６に設けられ、複数の単位セル１に荷重を付与する際にシール部材１５よりも先にセパレータ８、１０に接触するように単位セル１の積層方向ついての高さが設定された突起部１７とを備えているため、この突起部１７とセパレータ８、１０の接触摩擦によりセパレータ８、１０とガス拡散層５、６の相対位置がずれるのを防止することができる。これにより、単位セル１の積層方向について一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのリブが重なり合ってガス拡散層にかかる面圧が過大になることや、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することが可能となる。
【００３５】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図３では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて実施形態１または図５および図６に示す燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３６】
本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体１３のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６にセパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有する突起部１７が設けられている。なお突起部１７がカーボンペーパー等で形成されている場合には、図３に示す燃料電池の単位セル１に荷重が付与されたときにガス流路に対応する部分の突起部１７はほぼ完全に押し潰される。しかし仮にガス流路に対応する部分の突起部１７が若干隆起した場合でも、突起部１７はセパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有するため、ガスの配流バラツキは小さく抑えられる。なお、その他の効果および製造方法等については実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３７】
（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図４では、カソードセパレータ１０側に膜電極複合体１３が接合された状態を示しており、またシール部材１５を線として示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて実施形態１または図５および図６に示す燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３８】
本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体１３のアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層６に２つのセパレータの短手方向と０度でない所定の角度θを成す直線状の形状を有する突起部１７が２本設けられている。なお突起部１７は、１本または３本以上設けるようにしてもよい。
【００３９】
図４に示す燃料電池では２本の突起部１７のそれぞれにおいて、一方の端部が空気導入マニホールド２０に近く、他方の端部が空気排出マニホールド２１の近くになるように形成されており、２本の突起部１７がカソードセパレータ１０のほぼ対角線上に設けられた空気導入マニホールド２０から空気排出マニホールド２１へ向かう方向に傾斜している。なお突起部１７がカーボンペーパー等で形成されている場合には、図３に示す燃料電池の単位セル１に荷重が付与されたときにガス流路に対応する部分の突起部１７はほぼ完全に押し潰されるが、仮にガス流路に対応する部分の突起部１７が若干隆起した場合でも、突起部１７が空気導入マニホールド２０から空気排出マニホールド２１へ向かう方向に傾斜しているため、ガスの配流バラツキは最小限に抑えられる。なお、その他の効果および製造方法等については実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００４０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、突起部１７は任意の形状で任意の個数設けることができる。また、突起部１７をリブ１１、リブ１２に対応する部分のみに設けるようにし、単位セルに荷重が付与された際に突起部１７が確実に押し潰されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セル１からアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図５】一般的な燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図６】図５に示す単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【符号の説明】
【００４２】
１，１００ 単位セル
２、１０２ 電解質膜
３、１０３ アノード触媒層
４、１０４ カソード触媒層
５、１０５ アノードガス拡散層
６、１０６ カソードガス拡散層
７、１０７ 水素流路
８、１０８ アノードセパレータ
９，１０９ 空気流路
１０、１１０ カソードセパレータ
１１、１１１ リブ
１２、１１２ リブ
１３、１１３ 膜電極複合体
１５ シール部材
１７ 突起部
２０、１２０ 空気導入マニホールド
２１、１２１ 空気排出マニホールド
２４、１２４ 水素導入マニホールド
２５、１２５ 水素排出マニホールド
２６、１２６ ディフューザー
２７、１２７ ディフューザー
２８、１２８ 冷却水導入マニホールド
２９、１２９ 冷却水排出マニホールド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、を有する膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に接合され、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる複数のガス流路を有する２つのセパレータと、を備えた単位セルを複数積層し、この積層された複数の単位セルに荷重を付与することにより構成された燃料電池において、
前記膜電極複合体と共に前記２つのセパレータの隙間に保持され、前記膜電極複合体および前記複数のガス流路を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材と、
前記ガス拡散層の前記セパレータに対向する側に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記複数のガス流路は、前記セパレータの長手方向に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを流すように形成され、前記複数のガス流路の間には個々のガス流路を仕切る複数のリブが設けられており、前記突起部は、前記単位セルに荷重を付与する際に少なくとも１つの前記リブと前記単位セルの積層方向について重なり合うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記突起部は、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記突起部は、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの短手方向と０度でない所定の角度を成す直線状の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガスが流れるセパレータは、前記燃料ガスを前記ガス流路に導入するための燃料ガス入口と前記燃料ガスを前記ガス流路から排出するための燃料ガス出口を有し、前記燃料ガスが流れるセパレータに対向する側に設けられた前記突起部は、一方の端部が前記燃料ガス入口に近く、他方の端部が前記燃料ガス出口に近くなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガスが流れるセパレータは、前記酸化剤ガスを前記ガス流路に導入するための酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを前記ガス流路から排出するための酸化剤ガス出口を有し、前記酸化剤ガスが流れるセパレータに対向する側に設けられた前記突起部は、一方の端部が前記酸化剤ガス入口に近く、他方の端部が前記酸化剤ガス出口に近くなるように形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記突起部は、前記セパレータの短手方向の幅が前記ガス流路の幅よりも大きいドット状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項８】
板状部材を型で圧縮することにより前記板状部材に突起部を形成してガス拡散層を製造する工程と、
前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、
前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、
前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、
前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記板状部材は、カーボン材料からなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
板状部材に突起部を接合してガス拡散層を製造する工程と、
前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、
前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、
前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、
前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記突起部は、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、を有する膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に接合され、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる複数のガス流路を有する２つのセパレータと、を備えた単位セルを複数積層し、この積層された複数の単位セルに荷重を付与することにより構成された燃料電池において、
前記膜電極複合体と共に前記２つのセパレータの隙間に保持され、前記膜電極複合体および前記複数のガス流路を含む空間とその外部の空間とを仕切るシール部材と、
前記ガス拡散層の前記セパレータに対向する側に設けられ、前記複数の単位セルに荷重が付与されると前記シール部材よりも先に前記荷重の付与に伴って押し潰される突起部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記複数のガス流路は、前記セパレータの長手方向に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを流すように形成され、前記複数のガス流路の間には個々のガス流路を仕切る複数のリブが設けられており、前記突起部は、前記単位セルに荷重を付与する際に少なくとも１つの前記リブと前記単位セルの積層方向について重なり合うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記突起部は、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの短手方向に延びる直線状の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記突起部は、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの短手方向と０度でない所定の角度を成す直線状の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガスが流れるセパレータは、前記燃料ガスを前記ガス流路に導入するための燃料ガス入口と前記燃料ガスを前記ガス流路から排出するための燃料ガス出口を有し、前記燃料ガスが流れるセパレータに対向する側に設けられた前記突起部は、一方の端部が前記燃料ガス入口に近く、他方の端部が前記燃料ガス出口に近くなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガスが流れるセパレータは、前記酸化剤ガスを前記ガス流路に導入するための酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを前記ガス流路から排出するための酸化剤ガス出口を有し、前記酸化剤ガスが流れるセパレータに対向する側に設けられた前記突起部は、一方の端部が前記酸化剤ガス入口に近く、他方の端部が前記酸化剤ガス出口に近くなるように形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記突起部は、前記セパレータの短手方向の幅が前記ガス流路の幅よりも大きいドット状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項８】
板状部材を型で圧縮することにより前記板状部材に突起部を形成してガス拡散層を製造する工程と、
前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、
前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、
前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、
前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記板状部材は、カーボン材料からなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
板状部材に突起部を接合してガス拡散層を製造する工程と、
前記ガス拡散層に、電解質膜、電極層を接合して膜電極複合体を製造する工程と、
前記膜電極複合体にシール部材を取り付ける工程と、
前記膜電極複合体の両側にガス流路を有するセパレータを接合して単位セルを製造する工程と、
前記単位セルを複数積層して荷重を付与することにより、前記突起部および前記シール部材を押し潰す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記突起部は、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトからなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−４７２９５（Ｐ２００８−４７２９５Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１８６５７（Ｐ２００６−２１８６５７）
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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