JP5162925B2 - 燃料電池モジュールの製造方法および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池の発電効率を向上させる技術に関する。

燃料電池の中には、反応ガスの流路として多孔体を用い、多孔体において反応ガスを拡散して、膜電極接合体に反応ガスを供給するものがある。多孔体は一般的に、組み付けられる際にガスケットと干渉しないように、ガスケットの内壁と隙間を空けて配置される。ガスケットと多孔体との隙間は通気抵抗が小さいため反応ガスが流れやすい。ガスケットと多孔体の隙間を流れる反応ガスは発電反応に用いられることなく排出されるため、ガスケットと多孔体の隙間を流れる反応ガス量が多くなると、燃料電池の発電効率が低下する。この隙間に反応ガスを流れにくくする技術としてガスケットと多孔体との隙間に液状シール剤を充填／硬化させる技術が知られている（特許文献１）。また、ガスケットと多孔体の隙間に熱可塑性樹脂を配置し、加圧下で加熱熔解し、冷却硬化させる技術が知られている（特許文献２）。

特開２００５−１７４８７５号公報 特開２００５−１８３２１０号公報

しかし、従来の技術では、燃料電池モジュールに液状シール剤を充填／硬化させるときには、燃料電池モジュールにかける荷重の大きさについては考慮されていなかった。その結果、燃料電池の燃料電池モジュールを積層して締結する時に、荷重が液状シール剤の充填部分にかかって電極部分の荷重の分担が減少し、燃料電池の性能が低下するという問題があった。また、ガスケットと多孔体との隙間は発電に寄与しないためできるかぎり狭くするのが好ましいが、設計上困難であった。

本発明は上記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、電極部分への荷重分担を増し、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。

本発明の第１の態様に係る燃料電池モジュールの製造方法は、膜電極接合体の少なくとも一方の面に、ガスケットと、ガス流路を形成する多孔体とを所定の間隔を開けて配置して発電体を形成し、前記ガスケットと前記多孔体によって形成される空間に液状シール剤を充填するための充填孔を有するプレートによって前記発電体を挟持し、燃料電池モジュールを積層して燃料電池を締結する時の締結荷重と同等以上の荷重を前記プレート間に加え、前記荷重下で前記充填孔から前記空間に液状シール剤を充填し、硬化させる。本発明の第１の態様に係る燃料電池モジュールによれば、荷重が電極部分にかかるので、燃料電池モジュールの性能を向上させることができる。なお、本明細書において、多孔体という場合には、多孔体にガス拡散層と多孔体とを含んでもよい。

本発明の第１の態様に係る燃料電池モジュールの製造方法において、前記プレートは前記充填孔を複数備え、前記液状シール剤の充填は前記複数の充填孔から液状シール剤を充填することにより実行されるのが好ましい。この態様によれば、前記空間へのシール剤の充填欠陥を抑制し、前記空間に反応ガスが流れることによる発電効率の低下を抑制できる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池は、外縁部にガスケットが配置されている膜電極接合体と、前記ガスケットの内壁と所定の間隔を空けて前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に配置される多孔体とを有する発電体と、前記発電体を挟持するように配置されるセパレータと、前記セパレータを貫通する孔により形成されるマニホールドと、前記マニホールドと、前記ガスケットと前記多孔体によって形成される空間とを連通する連通路とを備える。本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、燃料電池に締結荷重を加えた後に液状シール剤を充填できるので、液状シール剤を硬化させても、荷重は充填部分にかからず電極部分にかかるので、燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記マニホールドおよび前記分岐路を形成するための第１の孔を有する第１のプレートと、前記第１のプレートの一方の面に面し、前記第１の孔と前記空間とをつなぐための第２孔と、前記マニホールドを構成するための第３の孔とを有する第２のプレートと、前記第１のプレートの他方の面に面し、前記マニホールドを構成するための第４の孔を有する第３のプレートとを備えるのが好ましい。この態様によれば、セパレータに用いるプレートを作るときに、液状シール剤の充填に用いる孔を同時に作成できる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記第２の孔は、前記第２のプレートに複数個備えられているのが好ましい。この態様によれば、前記空間へのシール剤の充填欠陥を抑制し、前記空間に反応ガスが流れることによる発電効率の低下を抑制できる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記連通路および前記空間の液状シール剤との接触部分は、フッ素樹脂により表面処理されているのが好ましい。この態様によれば、充填抵抗を小さくできるので、液状シール剤をスムーズに充填することができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記空間に液状シール剤が充填され、硬化されているのが好ましい。この態様によれば、液状シール剤が充填されているので、前記空間に反応ガスが流れることを抑制し、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記マニホールドおよび連通路は、前記空間のうち、燃料ガスが流れるアノード側多孔体につながるアノード側マニホールドおよびアノード側連通路と、酸化ガスが流れるカソード側多孔体に隣接する第２の空間につながるカソード側マニホールドおよびカソード側連通路とが独立して備えられているのが好ましい。この態様によれば、マニホールドと連通路を介してアノード側の第１の空間とカソード側の第２の空間が繋がることはないので、燃料ガスと酸化ガスの混和を抑制できる。

本発明の第３の態様に係る燃料電池の製造方法は、外縁部にガスケットが配置されている膜電極接合体の少なくとも一方の面に前記ガスケットの内壁と所定の間隔を空けて多孔体を配置して燃料電池モジュールを構成し、セパレータ用プレートにマニホールドと連通路を形成するための孔を形成し、セパレータ用プレートからセパレータを組み立て、前記発電体と前記セパレータ交互に積層して燃料電池を組み立て、前記前記ガスケットと前記多孔体によって形成される空間に前記マニホールドおよび前記連通路を介して液状シール剤を充填して硬化させる。本発明の第３の態様に係る燃料電池の製造方法によれば、燃料電池を構成してから液状シール剤を充填し硬化させることができる。従って、荷重が電極部分にかかるので、燃料電池モジュールの性能を向上させることができる。

Ａ．第１の実施例：
図１を用いて本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観構成について説明する。図１は第１の実施例に係る燃料電池の外観構成を模式的に示す斜視図である。図１（ａ）は第１の実施例に係る燃料電池を正面から見た斜視図であり、図１（ｂ）は背面から見た斜視図である。

燃料電池１００は燃料電池モジュール２００を積層して構成される。燃料電池１００は外縁部に積層方向に貫通する複数のマニホールドを備える。すなわち、燃料電池１００は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１１０と、未反応の燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールド１３０と、未反応の酸化ガスおよび電気化学反応により生成する水を排出する酸化ガス排出マニホールド１４０と、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールド１６０とを備える。

燃料電池モジュール２００は、発電部（図示せず）を支持するフレーム４００と、発電部およびフレーム４００を挟持するアノードプレート３１０およびカソードプレート３２０とを備える。アノードプレート３１０は外縁部に液状シール剤を充填するためのアノード側シール剤充填口３７６を備える。カソードプレート３２０は外縁部に液状シール剤を充填するためのカソード側シール剤充填口３８６を備える。

図２を用いて燃料電池モジュールの断面構造について説明する。図２は図１に示す１−１切断線で切断したときの燃料電池モジュールの断面を模式的に示す説明図である。

燃料電池モジュール２００は、フレーム４００と、電解質膜２１０と、アノード側触媒層２１２と、カソード側触媒層２１４と、アノード側ガス拡散層２２２と、カソード側ガス拡散層２２４と、アノード側多孔体２３２と、カソード側多孔体２３４と、アノードプレート３１０と、カソードプレート３２０と、アノード側ガスケット２５２と、カソード側ガスケット２５４と、アノード側シール部２６２と、カソード側シール部２６４とを備える。

フレーム４００は、樹脂材料で構成されている略四角形状の平板であり、中央部に電解質膜２１０を支持するための開口部を有する。

電解質膜２１０はプロトン伝導性の膜であり、プロトン（水素イオン）をアノード側触媒層２１２からカソード側触媒層２１４に移動させる。本実施例では、電解質膜２１０として、例えば高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられている。

アノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒を備える層である。アノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４は、電解質膜２１０の外縁部を除いた部分に形成される。本実施例では、電解質膜２１０とアノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４とを合わせて膜電極接合体２１６という。

アノード側ガス拡散層２２２は、アノード側触媒層２１２の上に配置され、燃料電池１００に用いられる燃料ガスを拡散する。カソード側ガス拡散層２２４は、カソード側触媒層２１４の上に配置され燃料電池１００に用いられる酸化ガスを拡散する。本実施例では、アノード側ガス拡散層２２２およびカソード側ガス拡散層２２４として、カーボン繊維を織ったカーボンクロスやカーボンペーパーが用いられている。燃料ガスはアノード側ガス拡散層２２２を流れながら拡散し、アノード側触媒層２１２に移動する。一方、酸化ガスはカソード側ガス拡散層２２４を流れながら拡散し、カソード側触媒層２１４に移動する。

アノード側多孔体２３２は、例えば金属製の略長方形状の多孔体であり、アノード側ガス拡散層２２２の外縁部を除いた部分の上にフレーム４００と間隔を空けて配置され、燃料電池１００に用いる燃料ガスの流路を形成する。本実施例では、アノード側多孔体２３２は、フレーム４００の開口部の大きさよりも小さく作られている。これはアノード側多孔体２３２とフレーム４００の加工精度のバラツキによる相互干渉を避けるためである。その結果、アノード側多孔体２３２とフレーム４００との間には隙間空間（以下「アノード側隙間空間２４２」という。）が生じる。なお、カソード側についても、アノード側多孔体２３２と同様な構造のカソード側多孔体２３４が配置され、カソード側隙間空間２４４が生じる。ここでアノード側隙間空間２４２とカソード側隙間空間２４４とは間に電解質膜２１０があるため、互いに通じていない。

アノードプレート３１０はアノード側多孔体２３２の上に配置される略四角形状をした金属製の平板セパレータである。アノードプレート３１０は、燃料ガスが燃料電池モジュール２００の積層方向に漏れることを抑制する。アノードプレート３１０は、アノード側隙間空間２４２の真上にあたる位置に、アノード側隙間空間２４２に液状シール剤を充填するためのアノード側シール剤充填口３７６を有する。アノードプレート３１０はアノード側シール剤充填口３７６を複数個備えることが好ましい。アノード側隙間空間２４２への液状シール剤の充填欠陥が発生しにくくなるからである。カソードプレート３２０はカソード側多孔体２３４の上に配置される略四角形状をした金属製の平板セパレータである。カソードプレート３２０は、酸化ガスが燃料電池モジュール２００の積層方向に漏れることを抑制する。カソードプレート３２０は、カソード側隙間空間２４４の真上にあたる位置に、カソード側隙間空間２４４に液状シール剤を充填するためのカソード側シール剤充填口３８６を有する。カソードプレート３２０はカソード側シール剤充填口３８６を複数個備えることが好ましい。カソード側隙間空間２４４への液状シール剤の充填欠陥が発生しにくくなるからである。

アノード側ガスケット２５２は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により構成され、フレーム４００とアノードプレート３１０の間に配置される。アノード側ガスケット２５２は、燃料電池モジュール２００を組み立てるときの締結圧力により、フレーム４００およびアノードプレート３１０に密着し、燃料ガスがアノードプレート３１０に沿って燃料電池モジュール２００の外に漏れることを抑制する。同様にフレーム４００とカソードプレート３２０の間には、カソード側ガスケット２５４が配置される。

アノード側シール部２６２はアノード側隙間空間２４２に充填された液状シール剤が硬化して形成された物である。アノード側シール部２６２は燃料ガスがアノード側隙間空間２４２に流れることを抑制する。カソード側シール部２６４はカソード側隙間空間に充填された液状シール剤が硬化して形成された物である。カソード側シール部２６４は酸化ガスがカソード側隙間空間２４４に流れることを抑制する。

図３および図４を用いて燃料電池モジュールの製造方法について説明する。図３は燃料電池モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。図４は製造途中の燃料電池モジュールの断面構造を模式的に示す説明図である。

電解質膜２１０の一方の面にアノード側触媒層２１２を形成し、他方の面にカソード側触媒層２１４を形成し、膜電極接合体２１６を形成する（ステップＳ１００、図４（ａ））。電解質膜２１０上へのアノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４の形成は、例えば、カーボンに担持された触媒を含む触媒インクを電解質膜２１０に塗布し、乾燥させることにより実行される。塗布の方法として、例えば、スプレー法が用いられる。

膜電極接合体２１６の外縁部にフレーム４００を形成する（ステップＳ１１０、図４（ｂ））。フレーム４００は、例えば射出成形により、電解質膜２１０と一体に形成される。

アノード側触媒層２１２の上にアノード側ガス拡散層２２２を配置し、アノード側ガス拡散層２２２の上にアノード側多孔体２３２を配置する、一方、カソード側触媒層２１４の上にカソード側ガス拡散層２２４を配置し、カソード側ガス拡散層２２４の上にカソード側多孔体２３４を配置する（ステップＳ１２０、図４（ｃ））。アノード側ガス拡散層２２２およびアノード側多孔体２３２は、フレーム４００の開口部の大きさよりも小さいので、アノード側多孔体２３２とフレーム４００の間には、アノード側隙間空間２４２が形成される。同様に、カソード側多孔体２３４とフレーム４００の間には、カソード側隙間空間２４４が形成される。ここで、アノード側多孔体２３２、カソード側多孔体２３４をフレーム４００の開口部の大きさよりも小さくしているのは、アノード側多孔体２３２、カソード側多孔体２３４とフレーム４００との干渉を抑制するためである。

フレーム４００のアノード側にアノード側ガスケット２５２を配置し、アノード側多孔体２３２の上にアノードプレート３１０を配置する。一方、フレーム４００のカソード側にカソード側ガスケット２５４を配置し、カソード側多孔体２３４の上にカソードプレート３２０を配置する（ステップＳ１３０）。

アノードプレート３１０の上にアノード側荷重用プレート５１０を配置し、カソードプレート３２０の上にカソード側荷重用プレート５２０を配置する（ステップＳ１４０、図４（ｄ））。アノード側荷重用プレート５１０は、アノードプレート３１０のアノード側シール剤充填口３７６と重なる位置にアノード側シール剤充填口５７６を有する。アノードプレート３１０のアノード側シール剤充填口３７６とアノード側荷重用プレート５１０のアノード側シール剤充填口５７６とを重ねることにより、液状シール剤のアノード側隙間空間２４２への充填抵抗を小さくできる。同様に、カソード側荷重用プレート５２０は、カソードプレート３２０のカソード側シール剤充填口３８６と重なる位置にカソード側シール剤充填口５８６を有する。

アノード側荷重用プレート５１０とカソード側荷重用プレート５２０との間に燃料電池１００を締結するときの締結荷重以上の荷重をかける（ステップＳ１５０）。これによりアノード側ガスケット２５２はアノードプレート３１０およびフレーム４００に密着する。その結果、アノードプレート３１０に沿った燃料ガスの漏洩が抑制される。一方、カソード側ガスケット２５４はカソードプレート３２０およびフレーム４００に密着する。その結果、カソードプレート３２０に沿った酸化ガスの漏洩が抑制される。

締結荷重を維持した状態で、アノード側シール剤充填口５７６およびカソード側シール剤充填口５８６から液状シール剤を充填し硬化させる（ステップＳ１６０）。液状シール剤として、例えば、熱硬化性樹脂を用いることができる。この場合、液状シール剤を充填したあと、加熱処理を行うことにより、液状シール剤を硬化させる。また、液状シール剤として熱可塑性樹脂を用いることができる。この場合、締結荷重を維持した状態で燃料電池モジュール２００を加熱し、別途加熱して柔らかくした熱可塑性樹脂をアノード側シール剤充填口５７６およびカソード側シール剤充填口５８６から充填し、充填後、燃料電池モジュール２００を冷却することにより、液状シール剤を硬化させる。締結荷重を維持した状態で、液状シール剤を充填し、硬化させることにより、燃料電池モジュール２００を積層して燃料電池１００を組み立てた時に、荷重は、アノード側シール部２６２にかからず、アノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４部分にかかる。その結果、アノード側触媒層２１２部分の接触抵抗が少なくなり、燃料電池モジュールの性能を向上させることができる。カソード側についても同様である。

アノード側荷重用プレート５１０とカソード側荷重用プレート５２０を取り外すことにより燃料電池モジュールが完成する（ステップＳ１７０）。なお、アノード側荷重用プレート５１０とカソード側荷重用プレート５２０を取り外したとき、アノードプレート３１０およびカソードプレート３２０の表面からアノード側シール部２６２がはみ出ている場合がある。この場合には、例えば、はみ出ている部分を削ることにより、アノードプレート３１０およびカソードプレート３２０の表面を滑らかにすることが好ましい。アノード側シール部２６２がはみ出ていると、燃料電池モジュール２００を積層したときに、隣接するアノードプレート３１０とカソードプレート３２０との間の密着度が低下し、接触抵抗が大きくなって、燃料電池１００の発電効率が低下するからである。

燃料電池モジュール２００を積層し、締結する（ステップＳ１８０）。燃料電池モジュールを直列に積層し、例えば、ボルト（図示せず）等を用いて締結する。これにより、燃料電池１００を製造することができる。

以上、本実施例によれば、締結荷重を維持した状態で、アノード側シール剤充填口５７６およびカソード側シール剤充填口５８６から液状シール剤を充填し硬化させる。したがって、燃料電池モジュール２００を積層して締結するときの締結荷重は、主としてアノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４部分にかかる。その結果、燃料電池１００の発電効率を高めることができる。

本実施例によれば、液状シール剤を充填するためのアノード側シール剤充填口３７６およびカソード側シール剤充填口３８６を複数個備える。その結果、液状シール剤の充填欠陥を抑制し、燃料ガスがアノード側隙間空間２４２を流れること、および、酸化ガスがカソード側隙間空間２４４を流れることを抑制できる。従って燃料電池１００の発電効率の低下を抑制できる。

Ｂ．第２の実施例：
図５を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例に係る燃料電池の外観構成を模式的に示す斜視図である。なお、第２の実施例の説明において、第１の実施例と同じ構成については同じ符号を付し、一部説明を省略する。

燃料電池１０１はセパレータ３００とフレーム４００とを交互に積層して構成される。燃料電池１００は、積層方向に貫通するマニホールドとして、燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１１０と、未反応の燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールド１３０と、未反応の酸化ガスおよび電気化学反応により生成する水を排出する酸化ガス排出マニホールド１４０と、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールド１６０と、アノード側隙間空間２４２に液状シール剤を充填するためのアノード側シール剤供給マニホールド１７０と、カソード側隙間空間２４４に液状シール剤を充填するためのカソード側シール剤供給マニホールド１８０と備える。

図６から図１０を用いて、燃料電池１０１の内部の構成について説明する。図６は、フレームを模式的に示す平面図である。図７はアノードプレートを模式的に示す平面図である。図８はカソードプレートを模式的に示す平面図である。図９は、中間プレートを模式的に示す平面図である。図１０は、図６から図９に示す各部材を重ねた後、２−２切断線により切った断面を模式的に示す断面図である。

フレーム４００は、例えば、略長方形状の平板であり、中央部に電解質膜２１０を支持するため開口部４９０と、外縁部に図５で説明した各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔４１２、燃料ガス排出マニホールド孔４２２、酸化ガス供給マニホールド孔４３２、酸化ガス排出マニホールド孔４４２、冷却水供給マニホールド孔４５２、冷却水排出マニホールド孔４６２、アノード側シール剤供給マニホールド孔４７２、カソード側シール剤供給マニホールド孔４８２）を有する。本実施例において、フレーム４００は樹脂材料でできており、例えば射出成形により、電解質膜２１０と一体に形成される。

フレーム４００のアノード側には、それぞれの開口部を囲うようにアノード側ガスケット２５２が配置される。アノード側ガスケット２５２は、燃料電池１０１を組み立てるときの締結圧力により、フレーム４００およびアノードプレート３１０に密着し、燃料ガスがプレートに沿って燃料電池モジュール２００の外に漏れることを抑制する。図６では隠れているが、フレーム４００のカソード側には、同様に、開口部を囲うようにカソード側ガスケット２５４が配置されている。

開口部４９０の内部について説明する。開口部４９０の内部には電解質膜２１０が配置されている。電解質膜２１０のアノード側にはアノード側触媒層２１２が形成され、カソード側にはカソード側触媒層２１４が形成されている。アノード側触媒層２１２の上にはアノード側ガス拡散層２２２が配置され、カソード側触媒層２１４の上にはカソード側ガス拡散層２２４が配置されている。アノード側ガス拡散層２２２の上にはアノード側多孔体２３２が配置され、カソード側ガス拡散層２２４の上にはカソード側多孔体２３４が配置されている。フレーム４００とアノード側多孔体２３２との間にはアノード側隙間空間２４２が形成され、フレーム４００とカソード側多孔体２３４との間にはカソード側隙間空間２４４が形成されている。なお、これらは第１の実施例の構成と同様であるので説明を省略する。

本実施例ではセパレータ３００はアノードプレート３１０とカソードプレート３２０と中間プレート３３０の３枚のプレートから構成されている。以下、セパレータ３００を構成する各プレートについて説明する。

アノードプレート３１０は燃料電池１０１のアノード側に配置される例えば略四角形平面の金属製薄板である。アノードプレート３１０は、外縁部に図５で説明した各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却媒体供給マニホールド孔３５２、冷却媒体排出マニホールド孔３６２、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２、カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２）を有する。

アノードプレート３１０は、さらに、燃料ガス供給マニホールド孔３１２のアノードプレート３１０内部側に形成される燃料ガス供給口３１６と、燃料ガス排出マニホールド孔３２２のアノードプレート３１０内部側に形成される燃料ガス排出口３２６と、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２のアノードプレート３１０内部側に形成されるアノード側シール剤充填口３７６とを有する。燃料ガス供給口３１６は燃料ガス供給マニホールド１１０に供給された燃料ガスを、セパレータ３００内部を通過させてアノード側多孔体２３２に供給する。燃料ガス排出口３２６はアノード側多孔体２３２で未使用になった燃料ガスを、セパレータ３００内部を通過させて燃料ガス排出マニホールド１２０に排出する。アノード側シール剤充填口３７６はアノード側シール剤供給マニホールド１７０に供給された液状シール剤を、セパレータ３００内部を通過させてアノード側隙間空間２４２に供給する。

カソードプレート３２０は燃料電池１００のカソード側に配置される例えば略四角形平面の金属製薄板である。カソードプレート３２０は、外縁部に図５で説明した各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却媒体供給マニホールド孔３５２、冷却媒体排出マニホールド孔３６２、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２、カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２）を有する。

カソードプレート３２０は、さらに、酸化ガス供給マニホールド孔３３２のカソードプレート３２０内部側に形成される酸化ガス供給口３３６と、酸化ガス排出マニホールド孔３４２のカソードプレート３２０内部側に形成される酸化ガス排出口３４６と、カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２のカソードプレート３２０内部側に形成されるカソード側シール剤充填口３８６とを有する。酸化ガス供給口３３６は酸化ガス供給マニホールド１３０に供給された酸化ガスを、セパレータ３００内部を通過させてカソード側多孔体２３４に供給する。酸化ガス排出口３４６はカソード側多孔体２３４で未使用になった酸化ガスおよび反応により生じた水を、セパレータ３００内部を通過させて酸化ガス排出マニホールド１４０に排出する。カソード側シール剤充填口３８６はカソード側シール剤供給マニホールド１８０に供給された液状シール剤を、セパレータ３００内部を通過させてカソード側隙間空間２４４に供給する。

中間プレート３３０はアノードプレート３１０とカソードプレート３２０に挟持される、例えば略四角形平面の金属製あるいは樹脂製の薄板である。中間プレート３３０は、外縁部に沿って図５で説明した各種マニホールドを形成するための開口部（燃料ガス供給マニホールド孔３１２、燃料ガス排出マニホールド孔３２２、酸化ガス供給マニホールド孔３３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４２、冷却媒体供給マニホールド孔３５２、冷却媒体排出マニホールド孔３６２、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２、カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２）を有する。

中間プレート３３０は、燃料ガス供給マニホールド孔３１２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かう櫛状に開口した燃料ガス供給流路３１４と、燃料ガス排出マニホールド孔３２２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かう櫛状に開口した燃料ガス排出流路３２４と、酸化ガス供給マニホールド孔３３２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かう櫛状に開口した酸化ガス供給流路３３４と、酸化ガス排出マニホールド孔３４２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かう櫛状に開口した酸化ガス排出流路３４４と、冷却媒体供給マニホールド孔３５２と冷却媒体排出マニホールド孔３６２とをつなぐ冷却媒体流路３５４と、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かうアノード側シール剤供給流路３７４と、カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２の内側から中間プレート３３０の内部方向に向かうカソード側シール剤供給流路３８４とを有する。

燃料ガス供給流路３１４は、燃料ガス供給マニホールド１１０に供給された燃料ガスを燃料ガス供給口３１６に導く。燃料ガス排出流路３２４は、燃料ガス排出口３２６に排出された未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド１２０に導く。酸化ガス供給流路３３４は、酸化ガス供給マニホールド１３０に供給された酸化ガスを酸化ガス供給口３３６に導く。酸化ガス排出流路３４４は、酸化ガス排出口３４６に排出された未反応の酸化ガスおよび反応により生成した水を酸化ガス排出マニホールド１４０に導く。冷却媒体流路３５４は、冷却媒体供給マニホールド１５０に供給された冷却媒体を流して燃料電池１０１を冷却し、冷却媒体排出マニホールド１６０に導く。アノード側シール剤供給流路３７４は、アノード側シール剤供給マニホールド１７０に供給された液状シール剤をアノード側シール剤充填口３７６に導く。カソード側シール剤供給流路３８４は、カソード側シール剤供給マニホールド１８０に供給された液状シール剤をカソード側シール剤充填口３８６に導く。

燃料電池１０１は、アノード側シール剤供給マニホールド１７０およびアノード側シール剤供給流路３７４およびアノード側シール剤充填口３７６を複数個備えることが好ましい。複数個備えることにより、液状シール剤の充填欠陥を抑制することができる。カソード側シール剤供給マニホールド１８０およびカソード側シール剤供給流路３８４およびカソード側シール剤充填口３８６についても同様である。

燃料電池１０１は、アノード側シール剤供給マニホールド１７０およびアノード側シール剤供給流路３７４およびアノード側シール剤充填口３７６とカソード側シール剤供給マニホールド１８０およびカソード側シール剤供給流路３８４およびカソード側シール剤充填口３８６とを独立して備えるのが好ましい。共用すると、マニホールドを介して燃料ガスと酸化ガスとが混和するおそれがある。

図１１を用いて、第２の実施例に係る燃料電池の製造方法について説明する。図１１は、第２の実施例に係る燃料電池の製造方法を説明するフローチャートである。

電解質膜２１０の一方の面にアノード側触媒層２１２を形成し、他方の面にカソード側触媒層２１４を形成し、膜電極接合体２１６を形成する（ステップＳ２００）。膜電極接合体２１６の外縁部にフレーム４００を形成する（ステップＳ２１０）。アノード側触媒層２１２の上にアノード側ガス拡散層２２２を配置し、アノード側ガス拡散層２２２の上にアノード側多孔体２３２を配置する、一方、カソード側触媒層２１４の上のカソード側ガス拡散層２２４を配置し、カソード側ガス拡散層２２４の上にカソード側多孔体２３４を配置する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２００からステップＳ２２０については第１の実施例で説明したステップＳ１００からステップＳ１２０と同様なので、詳しい説明を省略する。

アノードプレート３１０、カソードプレート３２０、中間プレート３３０を形成する（ステップＳ２３０）。アノードプレート３１０は、例えば、略四角形状の金属板を金型により打ち抜くことにより形成される。このとき、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２およびアノード側シール剤充填口３７６は、他の開口部、例えば、燃料ガス供給マニホールド孔３１２等と同時に形成される。すなわち、特別な工程を付加することなく金型を変えるだけで形成できる。カソードプレート３２０ついても同様に金型を変えるだけで形成できる。中間プレート３３０が金属製の場合も同様に金型を変えるだけで形成できる。また、中間プレート３３０が樹脂製の場合でも、射出成形の金型を変えることにより、中間プレート３３０を容易に形成できる。

アノードプレート３１０、中間プレート３３０、カソードプレート３２０を重ねて加圧し、セパレータ３００を組み立てる（ステップＳ２４０）。

ステップＳ２２０で形成したフレーム４００とセパレータ３００とを交互積層し、締結荷重を加えて燃料電池を締結する（ステップＳ２５０）。このときフレーム４００とセパレータ３００の間にはアノード側ガスケット２５２とカソード側ガスケット２５４が配置される。締結荷重が加えられることにより、アノード側ガスケット２５２はアノードプレート３１０およびフレーム４００に密着する。その結果、アノードプレート３１０に沿った燃料ガスの漏洩が抑制される。一方、カソード側ガスケット２５４はカソードプレート３２０およびフレーム４００に密着する。その結果、カソードプレート３２０に沿った酸化ガスの漏洩が抑制される。

アノード側隙間空間２４２およびカソード側隙間空間に液状シール剤を充填し硬化させる（ステップＳ２６０）。アノード側シール剤供給マニホールド１７０に供給された液状シール剤は、各セパレータ３００において分岐し、中間プレート３３０に形成されているアノード側シール剤供給流路３７４に流れる。液状シール剤はアノードプレート３１０に空けられているアノード側シール剤充填口３７６を通り、アノード側隙間空間２４２に流れ込む。液状シール剤が熱硬化性樹脂の場合には、液状シール剤がアノード側隙間空間に十分に充填された後、燃料電池１０１を加熱することにより液状シール剤を硬化させる。一方、液状シール剤が熱可塑性樹脂の場合には、燃料電池１０１を加熱した状態で、加熱して柔らかくなった液状シール剤を充填し、液状シール剤がアノード側隙間空間に十分に充填された後、燃料電池１０１を冷却することにより液状シール剤を硬化させる。燃料電池１０１に荷重がかけられ締結された状態で液状シール剤が硬化するので、締結荷重は硬化部分にはかからず、アノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４部分にかかる。その結果、燃料電池１０１の発電効率を高めることができる。カソード側についても同様である。

以上、本実施例によれば、燃料電池を締結した後で液状シール剤を充填して硬化させるので、荷重は主としてアノード側触媒層２１２およびカソード側触媒層２１４部分にかかる。その結果、燃料電池１０１の発電効率を高めることができる。なおカソード側についても同様である。

本実施例によれば、燃料電池１０１は、アノード側シール剤供給マニホールド１７０およびアノード側シール剤供給流路３７４およびアノード側シール剤充填口３７６とカソード側シール剤供給マニホールド１８０およびカソード側シール剤供給流路３８４およびカソード側シール剤充填口３８６とを独立して備えるので、液状シール剤充填用のマニホールドを介した燃料ガスと酸化ガスの混和を抑制できる。

本実施例によれば、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２、アノード側シール剤供給流路３７４、アノード側シール剤充填口３７６は、アノードプレート３１０および中間プレート３３０の製造に用いる金型を変えることにより製造工程を変えずに容易に形成することができる。カソード側シール剤供給マニホールド孔３８２、カソード側シール剤供給流路３８４、カソード側シール剤充填口３８６についても同様である。

本実施例によれば、アノード側シール剤供給マニホールド孔３７２、アノード側シール剤供給流路３７４、アノード側シール剤充填口３７６を通して、液体の液状シール剤がアノード側隙間空間２４２に充填される。固体の熱可塑性樹脂をアノード側隙間空間２４２にあらかじめ入れておく必要がないので、アノード側隙間空間２４２のフレーム４００とアノード側多孔体２３２の間の間隔を広げる必要が無く、設計が容易になる。

Ｃ．変形例：
（１）変形例１
第２の実施例では、アノード側シール剤供給マニホールド１７０とアノード側シール剤供給マニホールド孔３７２とアノード側シール剤供給流路３７４とアノード側シール剤充填口３７６を２組備えているが、そのうち一方をガス抜き路として用いてもよい。これにより、液状シール剤を充填するときにアノード側隙間空間２４２に詰まっている空気を排出できるので、液状シール剤の充填が容易になる。なお、ガス抜き路を別途備えてもよいことはいうまでもない。カソード側も同様である。

（２）変形例２
第１の実施例および第２の実施例ではアノード側シール剤充填口３７６とカソード側シール剤充填口３８６とを燃料電池１００または燃料電池１０１の四隅に形成しているが、アノード側シール剤充填口３７６とカソード側シール剤充填口３８６とを、例えば燃料電池１００または燃料電池１０１の長辺上あるいは短辺上に形成してもよい。

（３）変形例３
第１の実施例および第２の実施例では、フレーム４００とアノード側ガスケット２５２およびカソード側ガスケット２５４とを異なる部材としているが、フレームをガスケットと一体構造にしてもよい。この場合には、アノード側多孔体２３２はガスケットと所定の間隔を空けて配置され、ガスケットとアノード側多孔体２３２の間にアノード側隙間空間２４２が形成される。

（４）変形例４
アノード側シール剤供給マニホールド１７０およびアノード側シール剤供給流路３７４およびアノード側シール剤充填口３７６およびアノード側隙間空間２４２の液状シール剤との接触部分はフッ素樹脂により表面処理されているのが好ましい。フッ素樹脂による表面処理により、液状シール剤の充填抵抗が小さくなるので、充填が容易になる。

（５）変形例５
第１の実施例および第２の実施例では、アノード側多孔体２３２あるいはカソード側多孔体２３４を用いたが、反応ガスを拡散させるものであれば多孔体層に限られない。例えば、セパレータ３００に溝を掘って反応ガスを流し、反応ガスを拡散させるようにしてもよい。

（６）変形例６
第２の実施例では、セパレータ３００は３層構造のセパレータを用い、膜電極接合体２１６に対向する表面が平坦形状であるとしているが、セパレータ３００の構成および形状は他の任意の構成および形状とすることが可能である。例えば、表面に溝が形成された形状のカーボン製セパレータを用いてもよい。

（７）変形例７
第１の実施例及び第２の実施例では、膜電極接合体２１６とアノード側多孔体２３２の間にアノード側ガス拡散層２２２を備えているが。膜電極接合体２１６の上にアノード側多孔体２３２を配置する構成にしてもよい。カソード側についても同様である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る燃料電池の外観構成を模式的に示す斜視図。 図１に示す１−１切断線で切断したときの燃料電池モジュールの断面を模式的に示す説明図。 燃料電池モジュールの製造方法を説明するフローチャート。 製造途中の燃料電池モジュールの断面構造を模式的に示す説明図。 第２の実施例に係る燃料電池の外観構成を模式的に示す斜視図。 フレームを模式的に示す平面図。 アノードプレートを模式的に示す平面図。 カソードプレートを模式的に示す平面図。 中間プレートを模式的に示す平面図。 図６から図９に示す各部材を重ねた後２−２切断線により切った断面を模式的に示す断面図。 第２の実施例に係る燃料電池の製造方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００…燃料電池
１０１…燃料電池
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１２０…燃料ガス排出マニホールド
１３０…酸化ガス供給マニホールド
１４０…酸化ガス排出マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
１７０…アノード側シール剤供給マニホールド
１８０…カソード側シール剤供給マニホールド
２００…燃料電池モジュール
２１０…電解質膜
２１２…アノード側触媒層
２１４…カソード側触媒層
２１６…膜電極接合体
２２２…アノード側ガス拡散層
２２４…カソード側ガス拡散層
２３２…アノード側多孔体
２３４…カソード側多孔体
２４２…アノード側隙間空間
２４４…カソード側隙間空間
２５２…アノード側ガスケット
２５４…カソード側ガスケット
２６２…アノード側シール部
２６４…カソード側シール部
３００…セパレータ
３１０…アノードプレート
３１２…燃料ガス供給マニホールド孔
３１４…燃料ガス供給流路
３１６…燃料ガス供給口
３２０…カソードプレート
３２２…燃料ガス排出マニホールド孔
３２４…燃料ガス排出流路
３２６…燃料ガス排出口
３３０…中間プレート
３３２…酸化ガス供給マニホールド孔
３３４…酸化ガス供給流路
３３６…酸化ガス供給口
３４２…酸化ガス排出マニホールド孔
３４４…酸化ガス排出流路
３４６…酸化ガス排出口
３５２…冷却媒体供給マニホールド孔
３５４…冷却媒体流路
３６２…冷却媒体排出マニホールド孔
３７２…アノード側シール剤供給マニホールド孔
３７４…アノード側シール剤供給流路
３７６…アノード側シール剤充填口
３８２…カソード側シール剤供給マニホールド孔
３８４…カソード側シール剤供給流路
３８６…カソード側シール剤充填口
４００…フレーム
４１２…燃料ガス供給マニホールド孔
４２２…燃料ガス排出マニホールド孔
４３２…酸化ガス供給マニホールド孔
４４２…酸化ガス排出マニホールド孔
４５２…冷却水供給マニホールド孔
４６２…冷却水排出マニホールド孔
４７２…アノード側シール剤供給マニホールド孔
４８２…カソード側シール剤供給マニホールド孔
４９０…開口部
５１０…アノード側荷重用プレート
５２０…カソード側荷重用プレート
５７６…アノード側シール剤充填口
５８６…カソード側シール剤充填口

Claims (3)

1. 燃料電池モジュールの製造方法であって、
   膜電極接合体の少なくとも一方の面に、ガスケットと、ガス流路を形成する多孔体とを所定の間隔を開けて配置して発電体を形成し、
   前記ガスケットと前記多孔体によって形成される空間に液状シール剤を充填するための充填孔を有するプレートによって前記発電体を挟持し、
   燃料電池モジュールを積層して燃料電池を締結する時の締結荷重と同等以上の荷重を前記プレート間に加え、
   前記荷重下で前記充填孔から前記空間に液状シール剤を充填し、硬化させる、燃料電池モジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールの製造方法において、
   前記プレートは前記充填孔を複数備え、
   前記液状シール剤の充填は前記複数の充填孔から液状シール剤を充填することにより実行される、燃料電池モジュールの製造方法。
3. 燃料電池の製造方法であって、
   外縁部にガスケットが配置されている膜電極接合体の少なくとも一方の面に前記ガスケットの内壁と所定の間隔を空けて多孔体を配置して燃料電池モジュールを構成し、
   セパレータ用プレートにマニホールドおよび連通路を形成するための孔を形成し、
   セパレータ用プレートからセパレータを組み立て、
   前記発電体と前記セパレータを交互に積層して燃料電池を組み立て、
   前記ガスケットと前記多孔体によって形成される空間に前記マニホールドおよび連通路を介して液状シール剤を充填して硬化させる、燃料電池の製造方法。

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