JP3660205B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した燃料電池及びその製造方法に係るものであり、特に、セパレータ間で電極膜構造体を確実にシールすることができる燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成されたものがある。アノード側拡散電極の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード側拡散電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
この一例を図１２によって説明すると、図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１を両側からガス拡散電極（アノード側拡散電極とカソード側拡散電極）２，３で挟持して燃料電池セル４が構成されている。この燃料電池セル４の両面には燃料電池セル４の反応面に対応する位置に開口部を有するシート状のガスケット５が配置され、このガスケット５，５を介して各燃料電池セル４の周縁を包み込み、かつ、外側押さえ６を介して燃料電池セル４の周縁を押さえた状態で、セパレータ７，７により燃料電池セル４を両側から挟持して構成されている（特開平６−３２５７７７号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池にあっては、前記ガスケット５によりセパレータ７とガス拡散電極２，３との間の空間部分が外部と遮断されるため、燃料ガス及び酸化ガスが外部に漏れることはなく、かつ、両者が混合することもないため、無駄のない発電を行なうことができる点で優れているが、セパレータ７及びガス拡散電極２，３の厚さ方向において各々寸法のバラツキは避けられないため、ここに一定寸法のガスケット５を用いて両者を締結した場合に、シール反力が各部位で異なってしまう。そのため、セパレータ７とガス拡散電極２，３との間で全周に渡って均一なシール性を確保することができないという問題がある。
【０００５】
均一なシール性を確保するためにはセパレータ７及びガス拡散電極２，３の寸法精度を厳密に管理しなければならずコストアップにつながるという問題がある。
また、ガスケット５の面圧がガス拡散電極２，３の周囲でバラツキを起こしセパレータ７に偏った曲げ応力が作用してしまうという問題がある。
【０００６】
とりわけ、車両用燃料電池として使用される場合に、ガスケット５の面圧のバラツキに対してもセパレータ７に作用する曲げ応力を所定の大きさ以下となるようにセパレータ７の厚さ寸法を確保すると、燃料電池を積層して形成された燃料電池スタックが大型化してしまい車室空間を狭めてしまうという問題がある。
そこで、この発明は、電極膜構造体とセパレータとのシール性を向上できる燃料電池及びその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）とその両側のアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６）で挟持して構成された燃料電池において、固体高分子電解質膜の周囲にはアノード側拡散電極外周及びカソード側拡散電極外周からはみ出すはみ出し部（例えば、実施形態におけるはみ出し部１８ａ）を設け、前記セパレータ面内の外周部分であって、前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応する位置に各々溝部（例えば、実施形態における溝部２８）を設け、この溝部に塗布された液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に密着させた状態で一対のセパレータにより電極膜構造体を挟持し、上記液状シールの塗布径をＣとした場合に、上記はみ出し部の幅寸法ｅを（３／２）・Ｃに設定したことを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝内部において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池の製造方法において、前記セパレータ面内の外周部に形成された溝部内に液状シールを塗布径Ｃで塗布し、硬化前の液状シールを固体高分子電解質膜の周囲に設けられアノード側拡散電極及びカソード側拡散電極の周囲からはみ出すはみ出し部に密着させた状態で、一対のセパレータで電極膜構造体を挟持し、これらセパレータにより挟持された状態で液状シールの潰れにより、液状シールの塗布径Ｃの（３／２）倍以上の固体高分子電解質膜への密着幅を確保し、その後加熱して液状シールを硬化したことを特徴とする。
【００１０】
このように構成することにより、液状シールの最適な潰れ寸法を前記はみ出し部上において確保することができる。
請求項３に記載した発明は、上記はみ出し部の幅寸法が０．９ｍｍ以上であることを特徴とする。
このように構成することで、シール性を確保しつつ、固体高分子電解質膜の幅寸法を最小限に押さえることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の実施形態の燃料電池を示す分解斜視図である。この燃料電池１０は燃料電池セル（電極膜構造体）１２とこれを挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６を備え、これらが複数組積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２とを有するとともに、前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２６が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜１８としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極２０、アノード電極２２はＰｔを主体としたものである。尚、上記カソード電極２０と第１ガス拡散層２４とでカソード側拡散電極が構成され、上記アノード電極２２と第２ガス拡散層２４とでアノード側拡散電極が構成される。
【００１２】
固体高分子電解質膜１８には、これを挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２の外周からはみ出すはみ出し部１８ａが設けられ、このはみ出し部１８ａに対応する位置に両側から第１及び第２セパレータ１４，１６に塗布された後述する液状シールＳが直接密着するようになっている。
【００１３】
図３に示すように、第１セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。
第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。
また、第１セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００１４】
図１に示すように、第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。
【００１５】
図３に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００１６】
図４、図５に示すように、第２セパレータ１６の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
【００１７】
前記第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１８】
図２、図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、後述する液状シールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１９】
ここで、図４に示すように、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜１を挟持する第２セパレータ１６のアノード電極２２に対向する面１６ａに溝部２８が設けられ、この溝部２８に液状シールＳが塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３０が形成され、この溝部３０にも液状シールＳが塗布されている。ここで、前記入口側冷却媒体連通孔４０ａと出口側冷却媒体連通孔４０ｂとの周囲の溝部３０は、各々第１冷却媒体連結流路７６、第２冷却媒体連結流路７８を囲むように形成されている。
【００２０】
また、前記第２セパレータ１６と共に燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａにも、図１に示すように前記第２セパレータ１６の面１６ａの溝部２８及び溝部３０に対応する位置に、溝部２８及び溝部３０が形成され、各溝部２８，３０には液状シールＳが塗布されている。したがって、図２、図６に示すように、これら燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との溝部２８，３０に塗布された液状シールＳが、溝部２８の液状シールＳにあっては互いに固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し、燃料電池セル１２の周囲をシールし、溝部３０の液状シールＳにあっては互いに密着して各連通孔３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ、４０ｂの周囲をシールするようになっている。
【００２１】
図５に示すように、前記第２セパレータ１６の面１６ｂには、複数の燃料電池１０を積層した際に前記第１セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられ、この溝部３４に液状シールＳが塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成され、この溝部３５にも液状シールＳが塗布されている。
【００２２】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４、第２燃料ガス連結流路６６を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は前記第１セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。
【００２３】
このようにして、燃料電池１０を積層した場合に、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲で第２セパレータ１６側の液状シールＳが第１セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との水密性を確保している。
【００２４】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池１０には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらにその発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池１０の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図２に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。
【００２５】
第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６０に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に図１に示す出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。
【００２６】
また、燃料電池スタック１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが
第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から図１に示す出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、燃料電池１０で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００２７】
さらにまた、燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図１に示す入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図５に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。
【００２８】
ここで前記液状シールＳは熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度（粘度１０００〜９０００Ｐａ・ｓの範囲、例えば、５０００Ｐａ・ｓ）を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化するものであり、非接着性、接着性のいずれをも使用可能である。ここで上記粘度を上記のように設定したのは、１０００ｐａ．ｓより小さいと塗布した際に形状を維持できず、９０００ｐａ．ｓより大きいと高粘度過ぎて塗布できないからである。
尚、メインテナンス等で交換の必要がある部分、例えば第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間の液状シールＳは非接着性のものを使用することが望ましい。具体的に液状シールＳの塗布径は０．２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ〜４ｍｍ、例えば０．６ｍｍに設定し、シール荷重０．５（これより小さいとシール性が低下）〜２（これより大きいとへたり発生）Ｎ／ｍｍ程度とすることができる。ここで、上記液状シールＳの塗布径を上記のように設定したのは、塗布径が０．２ｍｍより小さいと高粘度なので切れてしまって塗布できず、６ｍｍより大きいと積層した場合に締め付け力が大きくなり過ぎてしまうからである。
また、前記溝部２８，３０，３４，３５は幅２ｍｍ、深さ０．２ｍｍ程度に設定されている。これら溝部２８，３０，３４，３５内において、塗布後において液状シールＳが潰れることで、シール断面積を拡大してシール部分における寸法誤差を吸収し、均一に密着することが可能となる。
【００２９】
ここで、図７に示すように、固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着する液状シールＳは塗布時において断面円形をしており、前述したように塗布径Ｃ（＝０．６ｍｍ）となっているが、図８に示すように第１、第２セパレータ１４，１６により燃料電池セル１２を挟持した状態で液状シールＳは潰れ、その潰れた部分が固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの全体に亙って密着するようになっている。
ここで上記液状シールＳの密着幅が大きすぎると前記はみ出し部１８ａがその分だけ余分に必要となるため反応に関与しない固体高分子電解質膜１８の面積が増加することとなりコストアップにつながり、一方、上記密着幅が小さすぎるとシール性が確保できない。
よって、この実施形態では、上記液状シールＳの塗布径をＣとしたときに、はみ出し部１８ａの幅寸法ｅを（３／２）・Ｃとして、シール性に問題がないような液状シールＳの密着幅を確保している。
【００３０】
実験によれば、液状シールＳの塗布径を、均一塗布が可能な最小の塗布径Ｃ＝０．６ｍｍとして、図８に示す溝２８の深さをｄ、カソード電極２０及び第１拡散層２４の幅寸法ｂ（アノード側の寸法も同様）とした場合にｂ＋ｄの寸法を各種用意し、ガスシール用のテストピースを用いてシール性を確認した。また、液状シールＳには粘度５０００Ｐａ・ｓの熱硬化性フッ素系のものを用いた。
図９に示すステンレス製（ＳＵＳ３１６）の板材ｆとガス加圧口付きのステンレス製（ＳＵＳ３１６）の板材ｉから成る治具の各表面に塗布径０．６ｍｍで熱硬化性フッ素系の液状シールＳを直接塗布した。そして、図１０に示すように塗布した液状シールの間に中央部を開口させた固体高分子電解質膜１８と治具外周にシール間隙（ｂ＋ｄに相当）調整用のスペーサｇ（フィルム、鉄板など）を同時に挟み込み、液状シールＳを１５０℃で２時間加熱し硬化させた。
図１１に示すように、硬化後スペーサｇを取り外し、シール荷重１Ｎ／ｍｍを与え、荷重が保持できるようにボルトｊで固定し、次に、室温雰囲気中でヘリウムガスボンベＨＢの配管に接続し、ガス圧２００ｋＰａで加圧し、流量計Ｆでガス漏れ量を測定した。
尚、上記固体高分子電解質膜１８は、外形寸法４２０×４２０ｍｍ、開口内径３００×３００ｍｍ、厚さ５０μｍ、ペルフルオロスルホン酸ポリマー製のものを使用した。
上記スペーサｇの厚さ（μｍ）を変化させ、これにより図８に示した液状シールＳの密着幅Ｅ（ｍｍ）を変化させた場合のガス漏れ量（ｃｃ／ｍｉｎ）の結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
実験の結果、０．９ｍｍ以上、つまり少なくとも塗布径の３／２倍の液状シールＳの密着幅Ｅを確保できれば、ガス漏れ量を０とできることが判明した。したがって、このような液状シールＳの密着幅Ｅを付与できるように、少なくとも固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの幅寸法ｅ（最小値ｅ＝Ｅ）を確保すれば良いのである。
【００３３】
その結果、製造にあたっては、前記第１セパレータ１４、第２セパレータ１６面内の外周部に形成された溝部２８内に液状シールＳを塗布径Ｃで塗布し、硬化前の液状シールＳを固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａ（幅寸法ｅ）に密着させ、各セパレータ１４，１６で燃料電池セル１２を挟持し、これらセパレータ１４，１６により挟持された状態で液状シールＳの潰れにより、液状シールＳの塗布径Ｃの（３／２）倍以上の固体高分子電解質膜１８への密着幅Ｅを確保し、その後加熱して液状シールＳを硬化すればよい。尚、上記液状シールＳの密着幅Ｅを設定するにあたっては、スペーサを各セパレータ１４，１６間に挟持して設定することができる。その結果、製造時において上記液状シールＳの密着幅Ｅを最適に設定できるため製造が容易となる。
【００３４】
上記実施形態によれば、前記固体高分子電解質膜１８の周囲に設けたはみ出し部１８ａに直接的に密着する液状シールＳが固体高分子電解質膜１８と第１，第２セパレータ１４，１６との間で形状変化してシール寸法のバラツキに追従し、各溝部２８，３０，３４，３５内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６と燃料電池セル１２との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。
したがって、液状シールＳによる寸法誤差に対する追従性の良さから、第１，第２セパレータ１４，１６や燃料電池セル１２のとりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができる。
【００３５】
また、第１、第２セパレータ１４，１６の溝部２８に塗布された液状シールＳは、溝部２８内で一定の幅を維持した状態で、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着して、シール寸法に応じて変形することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６により燃料電池セル１２を挟持するだけで、シール部分における気密性を確保できる。
【００３６】
そして、第１、第２セパレータ１４，１６と固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａとの間のシール寸法のバラツキを液状シールＳが吸収することにより、各セパレータ１４，１６に偏った力が作用するのを防止できるため、各セパレータ１４，１６の薄肉化を図ることができ、全体として軽量かつ小型化することができる。よって配置スペースに制限があり、できる限り各セパレータ１４，１６を薄型化する必要がある車両用として用いられた場合に好適である。
【００３７】
また、液状シールＳを固体高分子電解質膜１８に対して直接的に密着させるため、例えば、燃料電気セル１２の周囲に額縁状の枠体を設ける場合に比較して部品点数、組付け工数を削減できる点で有利である。そして、固体高分子電解質膜１８に対する液状シールＳの面圧も均一になり、固体高分子電解質膜１８が偏った力を受けることもない。尚、前述したように固体高分子電解質膜１８が波を打ったような場合でもこれに合わせて変形できるため、固体高分子電解質膜１８にしわが発生するようなこともない。
【００３８】
そして、液状シールＳを溝部２８、３０、３４、３５に塗布するため、溝部に合わせて液状シールＳの断面積が拡大し、これにより液状シールＳの圧縮量に対する面圧変動を穏やかにできる。したがって、各液状シールＳ間の間隔寸法のバラツキによる応力差を小さくできる。
【００３９】
更に、液状シールＳの塗布径Ｃに対して、この液状シールＳの密着幅Ｅを許容する前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの幅寸法ｅを最適に設定しているため、最小限のはみ出し部１８ａにより無駄なく、確実にシールすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１、請求項３に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝部内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、セパレータと電極膜構造体との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。したがって、液状シールによる寸法誤差に対する追従性の良さから、セパレータや電極膜構造体の寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができるという効果がある。また、固体高分子電解質膜のはみ出し部の幅寸法を液状シールが確実にシールできる最小限に設定できるため、反応に寄与しない前記はみ出し部を最小限に押さえることができると共にシール性を高めることができる効果がある。
【００４１】
請求項２に記載した発明によれば、製造時に液状シールの最適な密着幅を前記はみ出し部上において確保することができるため、製造が行ない易いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態の分解斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 この発明の実施形態の第１セパレータの図１のＢ矢視図である。
【図４】 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＣ矢視図である。
【図５】 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＤ矢視図である。
【図６】 この発明の実施形態の図２の要部拡大図である。
【図７】 電極膜構造体に液状シールを塗布した状態を示す断面図である。
【図８】 電極膜構造体をセパレータで挟持した状態を示す断面図である。
【図９】 実験用の治具を示す斜視図である。
【図１０】 実験用の治具をセットした状態を示す説明図である。
【図１１】 実験状態を示す説明図である。
【図１２】 従来技術の断面図である。
【符号の説明】
１２ 燃料電池セル（電極膜構造体）
１４ 第１セパレータ
１６ 第２セパレータ
１８ 固体高分子電解質膜
１８ａ はみ出し部
２０ カソード電極
２２ アノード電極
２４ 第１ガス拡散層
２６ 第２ガス拡散層
２８ 溝部
Ｓ 液状シール
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持した燃料電池及びその製造方法に係るものであり、特に、セパレータ間で電極膜構造体を確実にシールすることができる燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成されたものがある。アノード側拡散電極の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード側拡散電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
この一例を図１２によって説明すると、図において１は固体高分子電解質膜を示し、この固体高分子電解質膜１を両側からガス拡散電極（アノード側拡散電極とカソード側拡散電極）２，３で挟持して燃料電池セル４が構成されている。この燃料電池セル４の両面には燃料電池セル４の反応面に対応する位置に開口部を有するシート状のガスケット５が配置され、このガスケット５，５を介して各燃料電池セル４の周縁を包み込み、かつ、外側押さえ６を介して燃料電池セル４の周縁を押さえた状態で、セパレータ７，７により燃料電池セル４を両側から挟持して構成されている（特開平６−３２５７７７号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池にあっては、前記ガスケット５によりセパレータ７とガス拡散電極２，３との間の空間部分が外部と遮断されるため、燃料ガス及び酸化ガスが外部に漏れることはなく、かつ、両者が混合することもないため、無駄のない発電を行なうことができる点で優れているが、セパレータ７及びガス拡散電極２，３の厚さ方向において各々寸法のバラツキは避けられないため、ここに一定寸法のガスケット５を用いて両者を締結した場合に、シール反力が各部位で異なってしまう。そのため、セパレータ７とガス拡散電極２，３との間で全周に渡って均一なシール性を確保することができないという問題がある。
【０００５】
均一なシール性を確保するためにはセパレータ７及びガス拡散電極２，３の寸法精度を厳密に管理しなければならずコストアップにつながるという問題がある。
また、ガスケット５の面圧がガス拡散電極２，３の周囲でバラツキを起こしセパレータ７に偏った曲げ応力が作用してしまうという問題がある。
【０００６】
とりわけ、車両用燃料電池として使用される場合に、ガスケット５の面圧のバラツキに対してもセパレータ７に作用する曲げ応力を所定の大きさ以下となるようにセパレータ７の厚さ寸法を確保すると、燃料電池を積層して形成された燃料電池スタックが大型化してしまい車室空間を狭めてしまうという問題がある。
そこで、この発明は、電極膜構造体とセパレータとのシール性を向上できる燃料電池及びその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）とその両側のアノード側拡散電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２及び第２拡散層２６）とカソード側拡散電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２０及び第１拡散層２４）とで構成された電極膜構造体（例えば、実施形態における燃料電池セル１２）を、一対のセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６）で挟持して構成された燃料電池において、固体高分子電解質膜の周囲にはアノード側拡散電極外周及びカソード側拡散電極外周からはみ出すはみ出し部（例えば、実施形態におけるはみ出し部１８ａ）を設け、前記セパレータ面内の外周部分であって、前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応する位置に各々溝部（例えば、実施形態における溝部２８）を設け、この溝部に塗布された液状シール（例えば、実施形態における液状シールＳ）を前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に密着させた状態で一対のセパレータにより電極膜構造体を挟持し、上記液状シールの塗布径をＣとした場合に、上記はみ出し部の幅寸法ｅを（３／２）・Ｃに設定したことを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝内部において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池の製造方法において、前記セパレータ面内の外周部に形成された溝部内に液状シールを塗布径Ｃで塗布し、硬化前の液状シールを固体高分子電解質膜の周囲に設けられアノード側拡散電極及びカソード側拡散電極の周囲からはみ出すはみ出し部に密着させた状態で、一対のセパレータで電極膜構造体を挟持し、これらセパレータにより挟持された状態で液状シールの潰れにより、液状シールの塗布径Ｃの（３／２）倍以上の固体高分子電解質膜への密着幅を確保し、その後加熱して液状シールを硬化したことを特徴とする。
【００１０】
このように構成することにより、液状シールの最適な潰れ寸法を前記はみ出し部上において確保することができる。
請求項３に記載した発明は、上記はみ出し部の幅寸法が０．９ｍｍ以上であることを特徴とする。
このように構成することで、シール性を確保しつつ、固体高分子電解質膜の幅寸法を最小限に押さえることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の実施形態の燃料電池を示す分解斜視図である。この燃料電池１０は燃料電池セル（電極膜構造体）１２とこれを挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６を備え、これらが複数組積層されて車両用の燃料電池スタックが構成されるものである。
燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２とを有するとともに、前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２６が配設されている。ここで、固体高分子電解質膜１８としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、カソード電極２０、アノード電極２２はＰｔを主体としたものである。尚、上記カソード電極２０と第１ガス拡散層２４とでカソード側拡散電極が構成され、上記アノード電極２２と第２ガス拡散層２４とでアノード側拡散電極が構成される。
【００１２】
固体高分子電解質膜１８には、これを挟んで配設されるカソード電極２０及びアノード電極２２の外周からはみ出すはみ出し部１８ａが設けられ、このはみ出し部１８ａに対応する位置に両側から第１及び第２セパレータ１４，１６に塗布された後述する液状シールＳが直接密着するようになっている。
【００１３】
図３に示すように、第１セパレータ１４は、その平面内であって外周縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。
第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。
また、第１セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端下部側に、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００１４】
図１に示すように、第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。
【００１５】
図３に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００１６】
図４、図５に示すように、第２セパレータ１６の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
【００１７】
前記第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１８】
図２、図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、後述する液状シールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００１９】
ここで、図４に示すように、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに対応する位置にはこの固体高分子電解質膜１を挟持する第２セパレータ１６のアノード電極２２に対向する面１６ａに溝部２８が設けられ、この溝部２８に液状シールＳが塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３０が形成され、この溝部３０にも液状シールＳが塗布されている。ここで、前記入口側冷却媒体連通孔４０ａと出口側冷却媒体連通孔４０ｂとの周囲の溝部３０は、各々第１冷却媒体連結流路７６、第２冷却媒体連結流路７８を囲むように形成されている。
【００２０】
また、前記第２セパレータ１６と共に燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４のカソード電極２０に対向する面１４ａにも、図１に示すように前記第２セパレータ１６の面１６ａの溝部２８及び溝部３０に対応する位置に、溝部２８及び溝部３０が形成され、各溝部２８，３０には液状シールＳが塗布されている。したがって、図２、図６に示すように、これら燃料電池セル１２を挟持する第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との溝部２８，３０に塗布された液状シールＳが、溝部２８の液状シールＳにあっては互いに固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着し、燃料電池セル１２の周囲をシールし、溝部３０の液状シールＳにあっては互いに密着して各連通孔３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ、４０ｂの周囲をシールするようになっている。
【００２１】
図５に示すように、前記第２セパレータ１６の面１６ｂには、複数の燃料電池１０を積層した際に前記第１セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられ、この溝部３４に液状シールＳが塗布されている。また、この第２セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成され、この溝部３５にも液状シールＳが塗布されている。
【００２２】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４、第２燃料ガス連結流路６６を囲むように形成されている。また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は前記第１セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。
【００２３】
このようにして、燃料電池１０を積層した場合に、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲で第２セパレータ１６側の液状シールＳが第１セパレータ１４の面１４ｂに密着することで、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との水密性を確保している。
【００２４】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池１０には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらにその発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池１０の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図２に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。
【００２５】
第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６０に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に図１に示す出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。
【００２６】
また、燃料電池スタック１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが
第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から図１に示す出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、燃料電池１０で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００２７】
さらにまた、燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図１に示す入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図５に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。
【００２８】
ここで前記液状シールＳは熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度（粘度１０００〜９０００Ｐａ・ｓの範囲、例えば、５０００Ｐａ・ｓ）を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化するものであり、非接着性、接着性のいずれをも使用可能である。ここで上記粘度を上記のように設定したのは、１０００ｐａ．ｓより小さいと塗布した際に形状を維持できず、９０００ｐａ．ｓより大きいと高粘度過ぎて塗布できないからである。
尚、メインテナンス等で交換の必要がある部分、例えば第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間の液状シールＳは非接着性のものを使用することが望ましい。具体的に液状シールＳの塗布径は０．２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ〜４ｍｍ、例えば０．６ｍｍに設定し、シール荷重０．５（これより小さいとシール性が低下）〜２（これより大きいとへたり発生）Ｎ／ｍｍ程度とすることができる。ここで、上記液状シールＳの塗布径を上記のように設定したのは、塗布径が０．２ｍｍより小さいと高粘度なので切れてしまって塗布できず、６ｍｍより大きいと積層した場合に締め付け力が大きくなり過ぎてしまうからである。
また、前記溝部２８，３０，３４，３５は幅２ｍｍ、深さ０．２ｍｍ程度に設定されている。これら溝部２８，３０，３４，３５内において、塗布後において液状シールＳが潰れることで、シール断面積を拡大してシール部分における寸法誤差を吸収し、均一に密着することが可能となる。
【００２９】
ここで、図７に示すように、固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着する液状シールＳは塗布時において断面円形をしており、前述したように塗布径Ｃ（＝０．６ｍｍ）となっているが、図８に示すように第１、第２セパレータ１４，１６により燃料電池セル１２を挟持した状態で液状シールＳは潰れ、その潰れた部分が固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの全体に亙って密着するようになっている。
ここで上記液状シールＳの密着幅が大きすぎると前記はみ出し部１８ａがその分だけ余分に必要となるため反応に関与しない固体高分子電解質膜１８の面積が増加することとなりコストアップにつながり、一方、上記密着幅が小さすぎるとシール性が確保できない。
よって、この実施形態では、上記液状シールＳの塗布径をＣとしたときに、はみ出し部１８ａの幅寸法ｅを（３／２）・Ｃとして、シール性に問題がないような液状シールＳの密着幅を確保している。
【００３０】
実験によれば、液状シールＳの塗布径を、均一塗布が可能な最小の塗布径Ｃ＝０．６ｍｍとして、図８に示す溝２８の深さをｄ、カソード電極２０及び第１拡散層２４の幅寸法ｂ（アノード側の寸法も同様）とした場合にｂ＋ｄの寸法を各種用意し、ガスシール用のテストピースを用いてシール性を確認した。また、液状シールＳには粘度５０００Ｐａ・ｓの熱硬化性フッ素系のものを用いた。
図９に示すステンレス製（ＳＵＳ３１６）の板材ｆとガス加圧口付きのステンレス製（ＳＵＳ３１６）の板材ｉから成る治具の各表面に塗布径０．６ｍｍで熱硬化性フッ素系の液状シールＳを直接塗布した。そして、図１０に示すように塗布した液状シールの間に中央部を開口させた固体高分子電解質膜１８と治具外周にシール間隙（ｂ＋ｄに相当）調整用のスペーサｇ（フィルム、鉄板など）を同時に挟み込み、液状シールＳを１５０℃で２時間加熱し硬化させた。
図１１に示すように、硬化後スペーサｇを取り外し、シール荷重１Ｎ／ｍｍを与え、荷重が保持できるようにボルトｊで固定し、次に、室温雰囲気中でヘリウムガスボンベＨＢの配管に接続し、ガス圧２００ｋＰａで加圧し、流量計Ｆでガス漏れ量を測定した。
尚、上記固体高分子電解質膜１８は、外形寸法４２０×４２０ｍｍ、開口内径３００×３００ｍｍ、厚さ５０μｍ、ペルフルオロスルホン酸ポリマー製のものを使用した。
上記スペーサｇの厚さ（μｍ）を変化させ、これにより図８に示した液状シールＳの密着幅Ｅ（ｍｍ）を変化させた場合のガス漏れ量（ｃｃ／ｍｉｎ）の結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
実験の結果、０．９ｍｍ以上、つまり少なくとも塗布径の３／２倍の液状シールＳの密着幅Ｅを確保できれば、ガス漏れ量を０とできることが判明した。したがって、このような液状シールＳの密着幅Ｅを付与できるように、少なくとも固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの幅寸法ｅ（最小値ｅ＝Ｅ）を確保すれば良いのである。
【００３３】
その結果、製造にあたっては、前記第１セパレータ１４、第２セパレータ１６面内の外周部に形成された溝部２８内に液状シールＳを塗布径Ｃで塗布し、硬化前の液状シールＳを固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａ（幅寸法ｅ）に密着させ、各セパレータ１４，１６で燃料電池セル１２を挟持し、これらセパレータ１４，１６により挟持された状態で液状シールＳの潰れにより、液状シールＳの塗布径Ｃの（３／２）倍以上の固体高分子電解質膜１８への密着幅Ｅを確保し、その後加熱して液状シールＳを硬化すればよい。尚、上記液状シールＳの密着幅Ｅを設定するにあたっては、スペーサを各セパレータ１４，１６間に挟持して設定することができる。その結果、製造時において上記液状シールＳの密着幅Ｅを最適に設定できるため製造が容易となる。
【００３４】
上記実施形態によれば、前記固体高分子電解質膜１８の周囲に設けたはみ出し部１８ａに直接的に密着する液状シールＳが固体高分子電解質膜１８と第１，第２セパレータ１４，１６との間で形状変化してシール寸法のバラツキに追従し、各溝部２８，３０，３４，３５内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６と燃料電池セル１２との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。
したがって、液状シールＳによる寸法誤差に対する追従性の良さから、第１，第２セパレータ１４，１６や燃料電池セル１２のとりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができる。
【００３５】
また、第１、第２セパレータ１４，１６の溝部２８に塗布された液状シールＳは、溝部２８内で一定の幅を維持した状態で、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着して、シール寸法に応じて変形することができるため、第１，第２セパレータ１４，１６により燃料電池セル１２を挟持するだけで、シール部分における気密性を確保できる。
【００３６】
そして、第１、第２セパレータ１４，１６と固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａとの間のシール寸法のバラツキを液状シールＳが吸収することにより、各セパレータ１４，１６に偏った力が作用するのを防止できるため、各セパレータ１４，１６の薄肉化を図ることができ、全体として軽量かつ小型化することができる。よって配置スペースに制限があり、できる限り各セパレータ１４，１６を薄型化する必要がある車両用として用いられた場合に好適である。
【００３７】
また、液状シールＳを固体高分子電解質膜１８に対して直接的に密着させるため、例えば、燃料電気セル１２の周囲に額縁状の枠体を設ける場合に比較して部品点数、組付け工数を削減できる点で有利である。そして、固体高分子電解質膜１８に対する液状シールＳの面圧も均一になり、固体高分子電解質膜１８が偏った力を受けることもない。尚、前述したように固体高分子電解質膜１８が波を打ったような場合でもこれに合わせて変形できるため、固体高分子電解質膜１８にしわが発生するようなこともない。
【００３８】
そして、液状シールＳを溝部２８、３０、３４、３５に塗布するため、溝部に合わせて液状シールＳの断面積が拡大し、これにより液状シールＳの圧縮量に対する面圧変動を穏やかにできる。したがって、各液状シールＳ間の間隔寸法のバラツキによる応力差を小さくできる。
【００３９】
更に、液状シールＳの塗布径Ｃに対して、この液状シールＳの密着幅Ｅを許容する前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａの幅寸法ｅを最適に設定しているため、最小限のはみ出し部１８ａにより無駄なく、確実にシールすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１、請求項３に記載した発明によれば、前記固体高分子電解質膜の周囲に設けたはみ出し部に直接的に密着する液状シールが固体高分子電解質膜とセパレータとの間で形状変化して前記シール寸法のバラツキに追従し、溝部内において一定の面圧を確保した状態で両者間に隙間なく介在して両者間の気密性を確保することができるため、セパレータと電極膜構造体との間で全周に渡って均一なシール反力が得られ、均一なシール性を確保することができるという効果がある。したがって、液状シールによる寸法誤差に対する追従性の良さから、セパレータや電極膜構造体の寸法管理を厳密に行なう必要がなく、寸法精度管理が容易となりコストダウンを図ることができるという効果がある。また、固体高分子電解質膜のはみ出し部の幅寸法を液状シールが確実にシールできる最小限に設定できるため、反応に寄与しない前記はみ出し部を最小限に押さえることができると共にシール性を高めることができる効果がある。
【００４１】
請求項２に記載した発明によれば、製造時に液状シールの最適な密着幅を前記はみ出し部上において確保することができるため、製造が行ない易いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態の分解斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 この発明の実施形態の第１セパレータの図１のＢ矢視図である。
【図４】 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＣ矢視図である。
【図５】 この発明の実施形態の第２セパレータの図１のＤ矢視図である。
【図６】 この発明の実施形態の図２の要部拡大図である。
【図７】 電極膜構造体に液状シールを塗布した状態を示す断面図である。
【図８】 電極膜構造体をセパレータで挟持した状態を示す断面図である。
【図９】 実験用の治具を示す斜視図である。
【図１０】 実験用の治具をセットした状態を示す説明図である。
【図１１】 実験状態を示す説明図である。
【図１２】 従来技術の断面図である。
【符号の説明】
１２ 燃料電池セル（電極膜構造体）
１４ 第１セパレータ
１６ 第２セパレータ
１８ 固体高分子電解質膜
１８ａ はみ出し部
２０ カソード電極
２２ アノード電極
２４ 第１ガス拡散層
２６ 第２ガス拡散層
２８ 溝部
Ｓ 液状シール
Claims (3)
- 固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池において、固体高分子電解質膜の周囲にはアノード側拡散電極外周及びカソード側拡散電極外周からはみ出すはみ出し部を設け、前記セパレータ面内の外周部分であって、前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応する位置に各々溝部を設け、この溝部に塗布された液状シールを前記固体高分子電解質膜のはみ出し部に密着させた状態で一対のセパレータにより電極膜構造体を挟持し、上記液状シールの塗布径をＣとした場合に、上記はみ出し部の幅寸法ｅを（３／２）・Ｃに設定したことを特徴とする燃料電池。
- 固体高分子電解質膜とその両側のアノード側拡散電極とカソード側拡散電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された燃料電池の製造方法において、前記セパレータ面内の外周部に形成された溝部内に液状シールを塗布径Ｃで塗布し、硬化前の液状シールを固体高分子電解質膜の周囲に設けられアノード側拡散電極及びカソード側拡散電極の周囲からはみ出すはみ出し部に密着させた状態で、一対のセパレータで電極膜構造体を挟持し、これらセパレータにより挟持された状態で液状シールの潰れにより、液状シールの塗布径Ｃの（３／２）倍以上の固体高分子電解質膜への密着幅を確保し、その後加熱して液状シールを硬化したことを特徴とする燃料電池の製造方法。
- 上記はみ出し部の幅寸法が０．９ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
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