JPH09147891A

JPH09147891A - 固体高分子型燃料電池及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09147891A
Application number: JP7307849A
Authority: JP
Inventors: Minoru Kaneko; 実金子; 陽 ▲はま▼田; Akira Hamada; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1997-06-06
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JP3345240B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン交換膜が変形したり破損したりするこ
とを防止することによって、固体高分子型燃料電池の長
寿命化を実現する。また、その簡便な製造方法を提供す
る。【解決手段】イオン交換膜１１の中央部にアノード１
２とカソードを配したセル１０を、アノードガスチャネ
ル２１，カソードガスチャネル３１が設けられた電池プ
レート２０，３０で挟持する。このとき、中央部に集電
体４０，４１及び充填材７０，８０の材料を、外周部に
シール材５０，６０を介挿しながら行う。そして、電池
プレート２０，３０を締め付けると共に、充填材７０，
８０の材料を圧縮することによって、燃料電池１が作製
される。燃料電池１では、アノード１２とカソードの外
周とシール材５０，６０との間に、充填材７０，８０が
イオン交換膜１１と集電材４０，４１との間隙に充填さ
れているので、イオン交換膜１１の変形や破損が防止さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型の固体高分
子型燃料電池及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型の固体高分子型燃料電池は、一般
的にイオン交換膜の中央部にアノードとカソードを配し
たセルが、アノードガスチャネル並びにカソードガスチ
ャネルが形成された一対の電池プレートで挟持され、セ
ルと電池プレートとの間に集電体が介挿されて電池の基
本単位が構成されており、アノードガスチャネル並びに
カソードガスチャネルを通して、各電極にアノードガス
並びにカソードガスを加圧供給し、セルで発電された電
気は集電体で取り出すようになっている。

【０００３】そして、実用的な製品としては、このよう
な基本単位が何段にも積層されて高電圧が取り出せるよ
うになっているものが多い。ところで、このような固体
高分子型燃料電池においては、セルを構成するイオン交
換膜が薄く且つ柔軟であり、またアノードガス，カソー
ドガスが加圧供給されるため、一般的に、セルは一対の
電極がイオン交換膜の中央部にだけ配されており、電極
が配されていないイオン交換膜の外周部と電池プレート
との間は、シール部材，或は電池プレートの外周部に形
成された周壁部等でシールすることによって、セルが保
持されると共にアノードガス及びカソードガスが外に漏
れないようになっている。また、セルの中央部の電極部
分は一対の集電体で両側から挟まれて更にその外側から
電池プレートで挟持されているので、イオン交換膜はア
ノードガスとカソードガスの差圧にも耐えることができ
るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな固体高分子型燃料電池において、セルの電極の外周
とシール部の内周との間において、上述した差圧等の原
因によって、イオン交換膜がたるむように変形したり、
更にはイオン交換膜が破損したりするといった問題が生
じていた。

【０００５】このイオン交換膜の変形はセルの性能劣化
につながり、イオン交換膜が破損した場合には、アノー
ドガスとカソードガスが混合して電池としての機能が損
なわれ、電池寿命に達してしまうので、これを解決する
方法が望まれていた。本発明は、上記課題に鑑み、イオ
ン交換膜が変形したり破損したりすることを防止するこ
とによって、電池の長寿命化を実現できる固体高分子型
燃料電池及びその簡便な製造方法を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、イオン交換膜の中央部に一
対の電極を配したセルが、電極に対向してガスチャネル
が設けられた一対の電池プレートで挟持されて構成さ
れ、且つセルの中央部と電池プレートとの間には一対の
集電体が介挿され、セルの外周部と一対の電池プレート
との間にはシール部が設けられている固体高分子型燃料
電池において、電極の外周とシール部との間には、イオ
ン交換膜と電池プレートとの間の間隙を充填する充填材
が設けられていることを特徴としている。

【０００７】この発明の固体高分子型燃料電池によれ
ば、充填材によって、イオン交換膜の変形や破損が防止
される。また、請求項７記載の発明は、イオン交換膜の
中央部に一対の電極を配したセルが、電極に対向してガ
スチャネルが設けられた一対の電池プレートで挟持され
て構成され、且つセルの中央部と電池プレートとの間に
は一対の集電体が介挿され、セルの外周部と一対の電池
プレートとの間にはシール部が設けられ、電極の外周と
シール部との間には、イオン交換膜と電池プレートとの
間の間隙を充填する充填材が設けられている固体高分子
型燃料電池の製造方法であって、一対の集電体と、充填
材の材料とを介挿しつつ、セルを一対の電池プレートで
挟持する積層ステップと、積層ステップの後、充填材の
材料を圧縮しながら、一対の電池プレートを締め付ける
と共に、セルと一対の電池プレートの外周部とをシール
する締付ステップとを備えることを特徴としている。

【０００８】このような製造方法によって、上記の充填
材が充填された固体高分子型燃料電池を作業性よく作製
することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者等は、固体高分子型燃料
電池のイオン交換膜が変形したり破損したりする現象を
観察した結果、従来の固体高分子型燃料電池では、構造
上、電極の外周に沿ってイオン交換膜上に間隙が形成さ
れ、この間隙がイオン交換膜の変形や破損の発生と関わ
りが深いことがわかった。

【００１０】即ち、固体高分子型燃料電池の電極の厚み
は通常２０〜３０μｍ程度の薄さなので、電極の外周に
沿って形成される間隙の厚さもわずかなものであるが、
この間隙があるために、柔軟なイオン交換膜にかかる差
圧によって、イオン交換膜が変形したり破損したりす
る。また、固体高分子型燃料電池は、通常の運転時には
イオン交換膜が加湿されて湿潤状態に保たれるよう運転
するが、運転停止時等にイオン交換膜が乾燥した場合に
は収縮し、収縮に伴ってイオン交換膜の間隙の部分が破
損する場合もある。

【００１１】例えば、図１０に示す従来の固体高分子型
燃料電池では、アノード３１２及びカソード３１３上
に、これより若干大きい集電体３４０，３４１が積層さ
れている。従って、アノード３１２及びカソード３１３
の外周３１２ａ，３１３ａとシール材３５０，３５１と
の間には、イオン交換膜３１１と集電体３４０，３４１
との間に、アノード３１２，カソード３１３の厚みに相
当する間隙３９０，３９１が形成されている。図１０で
は、イオン交換膜１１が間隙３９１側に押されて変形し
た様子（即ち膜がたるんだ状態）が示されている。この
ような状況は、アノードガスの圧力がカソードガスの圧
力より高い場合に発生する。

【００１２】ここで、集電体３４０，３４１をアノード
３１２，カソード３１３と同等の大きさに設定したとす
れば、アノード３１２及びカソード３１３の外周３１２
ａ，３１３ａとシール材３５０，３６０との間には、イ
オン交換膜３１１と電池プレート３２０，３３０との間
に間隙が形成されるので、同様の問題が生じる。またこ
こで、シール材３５０，３６０を、アノード３１２及び
カソード３１３の外周３１２ａ，３１３ａにぴったりと
接触させることができれば、間隙３９０，３９１をなく
すことができるとも考えられる。

【００１３】しかし、アノード３１２及びカソード３１
３の外周３１２ａ，３１３ａと、集電体４０，４１の外
周とをぴったり合わせることは事実上困難であるし、シ
ール材３５０，３６０及び集電体３４０，３４１を介挿
させながらセル３１０を一対の電池プレート３２０，３
３０で挟持するという電池の組立工程において、シール
材３５０，３６０と、アノード３１２及びカソード３１
３の外周３１２ａ，３１３ａとを隙間なくぴったりと合
わせることは事実上困難であって、ある程度の間隙が生
じるのは避けられなかった。

【００１４】本発明者等は、この間隙が形成される部分
に充填材を配することによって、イオン交換膜の変形や
破損を防止できることを見いだし本発明に到った。請求
項１記載の発明によれば、電極の外周とシール部との間
には、イオン交換膜と電池プレートとの間の間隙を充填
する充填材が設けられているので、この充填材がイオン
交換膜を両側から押さえて保持する。従って、差圧によ
るイオン交換膜の変形や破損が防止され、またイオン交
換膜の収縮に伴う破損も防止される。

【００１５】ここで用いる充填材の材料としては、電池
の作動温度（１００℃程度）に耐える耐熱性と、作動圧
力に耐える耐圧性とを有することが必要であって、更に
適度な柔軟性及び弾力性を備えることが望ましい。具体
例としては、ポリアミド，ポリイミド，ポリスルホン，
メラミン樹脂，尿素樹脂，ＡＢＳ樹脂，エポキシ樹脂，
ジアリルフタレート樹脂，ケイ素樹脂，ポリチアゾー
ル，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの耐
熱性高分子、或はこれらを発泡させた多孔性の材料等を
用いることができる。

【００１６】請求項２記載の発明によれば、集電体に
は、充填材を兼ねる外周端部が形成されているので、集
電体と充填材との位置関係はずれることがない。燃料電
池の組立時において、このような集電体を電極上に配す
れば、セルに対する充填材の配置も自動的に行うことが
でき、作業性に優れる。また、集電体は、多孔性カーボ
ン等の通気性を持つ材料で形成されているため、加圧に
よって圧縮されたり弾力性を有したりする点で、充填材
の材料として適している。

【００１７】請求項３記載の発明によれば、充填材の材
料は、電池プレートが挟持する圧力で加圧するときに圧
縮される材料である。従って、圧縮される前の充填材の
材料としては、厚さの厚い材料を用いることができるの
で、電池組立時の作業性に優れ、また、イオン交換膜と
電池プレートとの間を隙間なく充填する作用も優れる。

【００１８】請求項４記載の発明によれば、充填材は、
イオン交換膜の外周部と一対の電池プレートとの間をシ
ールするシール材と一体形成されている。従って、シー
ル材と充填材との位置関係は定まっているので、燃料電
池の組立時における、セルに対する充填材の位置決めも
容易で、作業性に優れる。請求項５記載の発明によれ
ば、イオン交換膜の外周部には、更に、セルを所定の形
状に保持する保持用枠体が接合されている。従って、セ
ルが単独で存在する場合（電池に組み込まれていない状
態）においても、セルは保持用枠体によって所定の形状
に保持される。

【００１９】従って、燃料電池を組立てるときに、セル
の乾燥等に伴って変形したり寸法が変化することが少な
いため、電池の組立の作業性が優れる。保持用枠体の材
料としては、充填材の材料と同様の耐熱性、耐圧性が必
要であり、ある程度の剛性も必要である。保持用枠体の
材料の具体例としては、耐熱性高分子材料（ポリアミ
ド，ポリイミド，ポリスルホン，メラミン樹脂，尿素樹
脂，ＡＢＳ樹脂，エポキシ樹脂，ジアリルフタレート樹
脂，ケイ素樹脂，ポリチアゾール，ＰＴＦＥ、窒化ホウ
素、グラファイト等）、或はこれらにガラス繊維，合成
繊維，セルロース繊維等を充填して剛性を高めたものを
用いることができる。

【００２０】請求項６記載の発明によれば、保持用枠体
は、充填材と一体形成されている。従って、セルと充填
材との位置関係がずれることなく、燃料電池の組立時に
おける、セルに対する充填材の位置決めも不要であっ
て、更に作業性が優れる。請求項７記載の発明によれ
ば、積層ステップでは、一対の集電体と充填材の材料を
介挿しつつ、セルを一対の電池プレートで挟持し、その
後、締付ステップでは、充填材の材料を圧縮しながら、
一対の電池プレートを締め付ける共に、セルと一対の電
池プレートの外周部とをシールする。

【００２１】このようにして、充填材が充填された請求
項１記載の固体高分子型燃料電池を作業性よく作製する
ことができる。請求項８記載の発明によれば、積層ステ
ップの前に、枠体接合ステップで、イオン交換膜の外周
部に、セルを所定の形状に保持する保持用枠体を接合す
る。この製造方法によれば、積層ステップを行うとき
に、セルは保持用枠体で所定の形状に保持されており、
イオン交換膜が乾燥したとしても、セルが変形したり寸
法が変化することが少ないため、更に作業性よく且つ精
度よく電池を組み立てることができる。

【００２２】

【実施例】

（実施例１）図１は、本実施例にかかる固体高分子型燃
料電池の基本単位の構成を示す分解斜視図である。この
燃料電池１は、イオン交換膜１１の中央部にアノード１
２とカソード１３（図１においてはイオン交換膜１１の
背面にあって見えない。図２参照）とが配されたセル１
０と、セル１０を挟持する１対の電池プレート２０，３
０と、アノード１２，カソード１３と接するように、電
池プレート２０，３０とセル１０との間に介挿された一
対の集電体４０，４１と、電池プレート２０，３０の外
周部とセル１０との間に介挿されこの部分をシールする
シール材５０，６０と、アノード１２の外周１２ａとカ
ソード１３の外周１３ａ（図１においては見えない。図
２参照）に沿って配され、イオン交換膜１１と集電体４
０，４１との間を充填する充填材７０，８０とから構成
されている。

【００２３】本実施例の固体高分子型燃料電池は、この
ような基本単位の燃料電池１が所定の数だけ積層され、
その積層体の両端が一対の端板（不図示）で押さえられ
て構成されている。なお、積層される基本単位の数は、
出力しようする電圧に応じて設定される。イオン交換膜
１１は、ナフィオン１１５（ナフィオンは商品名，ＵＳ
ＡＤｕＰｏｎｔ社製，厚み０．１３ｍｍ）からなる長
方形状の薄膜である。アノード１２，カソード１３は、
共に白金担持カーボンからなる所定の厚さ（２０〜３０
μｍ）の成形体であって、イオン交換膜１１の中央部に
密着されており、所定の白金担持量（０．７ｍｇ／ｃｍ
²）に調整されている。また、イオン交換膜１１の外周
部の４つ角の部分には、内部マニホールドを形成するた
めの４つの円形の窓１４，１５，１６…が開設されてい
る。

【００２４】電池プレート２０，３０は、共にイオン交
換膜１１と同等の寸法に形成されたカーボン材料からな
るプレートであって、電池プレート２０のアノード１２
と対向する側には複数のアノードガスチャネル２１…が
刻まれ（図１においては、電池プレートの背面側に形成
されているので見えない。図２参照）、電池プレート３
０のカソード１３と対向する側には複数のカソードガス
チャネル３１…が刻まれている。

【００２５】また、電池プレート２０，３０の各々に
も、内部マニホールドを形成するための４つの円形の窓
２４，２５，２６，２７並びに窓３４，３５，３６…が
開設されている。図に示されるように窓３４及び窓３６
は、複数のカソードガスチャネル３１…と連通されてお
り、図には示されないが、これと同様に窓２５及び窓２
７は、複数のカソードガスチャネル２１…と連通されて
いる。

【００２６】集電体４０，４１は、溌水処理を施した多
孔性カーボンの薄板からなり、アノード１２，カソード
１３よりも若干大きい寸法で形成されている。そして、
集電体４０を介してアノード１２と複数のアノードガス
チャネル２１…は対向し、集電体４１を介して、カソー
ド１３と複数のカソードガスチャネル３１…とは対向し
ている。

【００２７】シール材５０，６０は、弾力性のある材料
（例えば、ＥＰＤＭゴム）からなる枠体状の板であっ
て、その外周はイオン交換膜１１の外周と同等の寸法で
あって、その内周５０ａ，６０ａは、集電体４０，４１
の外周４０ａ，４１ａと同等の寸法である。また、シー
ル材５０，６０の各々にも、内部マニホールドを形成す
るための４つの円形の窓５４，５５，５６…並びに窓６
４，６５，６６…が開設されている。

【００２８】充填材７０，８０は、耐熱性樹脂からなる
枠体状の薄板であって、その厚さはアノード１２及びカ
ソード１３と同等である。また、その外周の寸法は集電
体４０，４１と同等であり、内周７０ａ，８０ａの寸法
はアノード１２，カソード１３と同等である。これらの
各部材、即ちセル１０、電池プレート２０，３０及びシ
ール材５０，６０が積層されることにより、窓２４，５
４，１４，６４，３４によってカソードガス供給用のマ
ニホールドが構成され、窓２６，５６，１６，６６，３
６によりカソードガス排出用のマニホールドが構成され
ている。また、窓２５，５５，１５，６５，３５により
アノードガス供給用のマニホールドが構成され、窓２７
…によってアノードガス排出用のマニホールドが構成さ
れている。

【００２９】そして、カソードガス供給用のマニホール
ドに供給されるカソードガスは、複数のカソードガスチ
ャネル３１…に分配され、カソード１３で発電に用いら
れた後、カソードガス排出用のマニホールドから排出さ
れる。一方、アノードガス供給用のマニホールドに供給
されるアノードガスは、複数のアノードガスチャネル２
１…に分配され、アノード１２で発電に用いられた後、
アノードガス排出用のマニホールドから排出されるよう
になっている。

【００３０】図２は、図１に示す燃料電池１をＸ−Ｘ線
に沿って切断した断面を描いた図である。図に示すよう
に、イオン交換膜１１の外周部は、シール材５０，６０
を介して電池プレート２０，３０で挟持されていると共
に、電池プレート２０，３０の外周部とイオン交換膜１
１との間がシール材５０，６０でシールされている。ま
た、集電体４０は、シール材５０の内周５０ａの内側に
丁度はまり込んでおり、集電体４１は、シール材６０の
内周６０ａの内側に丁度はまり込んでいる。

【００３１】また、充填材７０は、アノード１２の外周
１２ａとシール材５０の内周５０ａとの間の範囲で、集
電体４０とイオン交換膜１１との間を充填し、充填材８
０は、カソード１３の外周１３ａとシール材６０の内周
６０ａとの間の範囲で、集電体４１とイオン交換膜１１
との間を充填している。このように、アノード１２，カ
ソード１３の外周１２ａ，１３ａとシール材５０の内周
５０ａとの間の範囲で、イオン交換膜１１は、充填材７
０，８０によって両側から押さえられているため、差圧
によってイオン交換膜１１が変形したり破損したりする
ようなことはなく、またイオン交換膜１１が乾燥した場
合にも、収縮による膜の破損は生じにくい。

【００３２】本実施例の固体高分子型燃料電池は、次の
ようにして製造することができる。セル１０は、イオン
交換膜１１に、アノード１２，カソード１３の材料をホ
ットプレスで密着させることによって作製できる。電池
プレート２０，３０は、カーボンプレートを切削加工す
ることによって作製できる。集電体４０，４１や、シー
ル材５０，６０や、充填材７０，８０の材料は、各々の
素材を切削することによって作製できる。

【００３３】電池組立て時には、セル１０を水に漬けて
イオン交換膜１１を湿潤状態にしておく。このように湿
潤させるのは、イオン交換膜１１は湿潤させると膨潤す
るので、仮に乾燥状態のままイオン交換膜１１を組み込
むと、運転時に加湿によってイオン交換膜１１がたるん
でしまうためである。そして、セル１０の外周部にはシ
ール材５０，６０を介挿させ、且つセル１０の中央部に
は集電体４０，４１及び充填材７０，８０を介挿させな
がら、セル１０に電池プレート２０，３０を積層させ
る。

【００３４】具体的な手順としては、電池プレート３０
を、カソードガスチャネル３１…側を上にして置き、そ
の外周部にはシール材６０を配置し、中央部には、集電
体４１，充填材８０の材料，セル１０を順に位置合わせ
しながら積層する。更に、セル１０の外周部上にシール
材５０を、中央部に充填材７０の材料，集電体４０を位
置合わせしながら順に積層し、その上に電池プレート２
０を、アノードガスチャネル２１…側を下にして配置す
ることによって、燃料電池１の積層体を組立てることが
できる。ただし、燃料電池１の積層体を組立てる順序は
これに限られず、例えば、セル１０に、充填材７０，８
０を介挿させながら集電体４０，４１を積層させ、これ
に、シール材５０，６０を介挿させながら電池プレート
を積層させるといった方法等でも可能である。

【００３５】このように組み立てた燃料電池１の積層体
を、所定の数だけ積層し、その両端を一対の端板で締め
付ける。このとき、端板による締め付けに伴って、電池
プレート２０，３０がシール材５０，６０を介してセル
１０を締め付けて、電池プレート２０，３０の外周部と
イオン交換膜１１との間がシールされると共に、充填材
７０，８０の材料も圧縮されて、充填材７０，８０が集
電体４０，４１とイオン交換膜１１との間に充填され、
固体高分子型燃料電池が作製される。

【００３６】なお、充填材７０，８０の材料は、電池に
組み込まれた状態（即ち締め付けによって加圧された状
態）において、集電体４０，４１とイオン交換膜１１と
の間がうまく充填されるようにその厚さを設定する。こ
こで、充填材７０，８０の材料として、加圧によって収
縮する多孔性の材料（例えばＰＴＦＥの発泡シート）を
用いれば、材料の厚さを比較的厚く設定することができ
るので、充填材７０，８０の材料の形成や電池組立時の
取扱いが容易となる。また、このような性質を持つ材料
を充填材７０，８０として用いると、集電体４０，４１
とイオン交換膜１１との間を隙間なく充填することが比
較的容易であって、その点でも充填材として優れてい
る。

【００３７】図３は、本実施例の燃料電池の一変形例を
示す図であって、図２と同様に断面が描かれている。上
記の燃料電池１においては、集電体４０，４１が、アノ
ード１２，カソード１３より大きく、シール材５０，６
０の内周５０ａ，６０ａに丁度納まる大きさであった
が、この変形例では、図３に示すように、集電体４０，
４１をアノード１２，カソード１３と同等の大きさと
し、その代わり、充填材７０，８０の厚さを大きくし
て、充填材７０，８０でイオン交換膜１１と電池プレー
ト２０，３０との間を充填するようにしている。このよ
うな燃料電池においても、上記の燃料電池１の場合と同
様の効果を奏する。

【００３８】また図４は、本実施例の燃料電池の別の変
形例を示す図であって、図２と同様に断面が描かれてい
る。上記の燃料電池１においては、電池プレート２０，
３０の外周部が、シール材５０，６０を介してイオン交
換膜１１の外周部を挟持していたが、この変形例では、
電池プレート２０，３０の代わりに、外周部にイオン交
換膜１１を挟持する周壁部２９，３９が形成された電池
プレート２８，３８が用いられており、更に、周壁部２
９，３９の外周面２９ａ，３９ａに沿って、電池プレー
ト２８，３８とイオン交換膜１１との間に、枠体状のシ
ール材５１，６１がはめ込まれている。なお、この燃料
電池では、各マニホールドは、周壁部２９，３９の４つ
角の部分に形成されており、シール材５１，６１にはマ
ニホールド用の窓は開設されていない。

【００３９】本例の燃料電池では、充填材７０，８０
が、アノード１２，カソード１３と周壁部２６，３６と
の間の範囲で、イオン交換膜１１と集電体４０，４１と
の間に充填されている。このような燃料電池において
も、上記の燃料電池１の場合と同様、イオン交換膜１１
の変形や破損が防止される。

【００４０】（実施例２）本実施例の固体高分子型燃料
電池は、実施例１の燃料電池１と同様の構成であるが、
燃料電池１ではシール材５０，６０とイオン交換膜１１
とは圧接されていただけであるのに対して、本実施例で
はシール材５０，６０とイオン交換膜１１とがホットプ
レスされて接合されている点が異なっている。

【００４１】また、本実施例では、シール材５０，６０
に、シール材としての機能と共にセル１０を所定の形状
に保持する保持枠体としての機能を持たせるため、シー
ル材５０，６０の材料に、弾力性と適度の剛性とを備え
たものが用いられている。この場合のシール材５０，６
０の材料の例としては、上記の耐熱性高分子、或はこれ
らにガラス繊維，合成繊維，セルロース繊維等を充填し
て剛性を高めたたもの等が挙げられる。

【００４２】以下、このようにセルが保持枠体と接合さ
れて一体となっているものをセルユニットと称すること
とする。本実施例の固体高分子型燃料電池の製造方法
は、先ず、セル１０を水に漬けてイオン交換膜１１を湿
潤状態にし、これにシール材５０，６０を積層しホット
プレス（温度１００〜２００℃、圧力５０〜２００ｋｇ
／ｃｍ²）で接合して、セルユニットを作製する。

【００４３】図５は、このセルユニットの斜視図であ
る。図に示されるように、このセルユニットは、枠体状
のシール材５０，６０が、セル１０の外周部に接合され
てセル１０を保持している。従って、イオン交換膜１１
が乾燥して収縮力が働いても、セル１０はもとの形状が
保持されるようになっている。このように作製されたセ
ルユニットと、電池プレート２０，３０とを、集電体４
０，４１及び充填材７０，８０の材料を介挿させながら
積層させることによって、基本単位の燃料電池の積層体
を組み立てることができる。

【００４４】そして、実施例１と同様に、組み立てた積
層体を所定の数だけ積層し、その両端を一対の端板で締
め付けることによって、固体高分子型燃料電池が作製さ
れる。この製造方法によれば、電池を組み立てる時に、
セル１０を、単体ではなく形状が定まったセルユニット
として取り扱える点で、組立て時の作業性が優れたもの
となる。

【００４５】また、組立時にイオン交換膜１１を湿潤さ
せなくてもよく、また組立中にセル１０が変形しにくい
という点においても、組立時の作業性が良好となる。特
に、燃料電池１の積層数が多い場合には積層するのに時
間がかかるので、組立中にイオン交換膜１１が乾燥して
セル１０に収縮力が生じやすいが、セルユニット化する
ことによってセルの変形が防止できる。

【００４６】なお、本実施例では、シール材５０，６０
がセル１０を保持する保持枠体を兼ねる例を示したが、
シール材とは別個の保持枠体でセル１０を保持してセル
ユニットを作製してもよい。例えば、図５に示したセル
ユニットにおいて、シール材５０，６０の代わりに、金
属，カーボン，セラミック等の剛性の高い材料で同様に
作製した枠体を用いてセルユニットを作製し、その枠体
の上に別のシール材を重ねて燃料電池を組立てることも
可能であって、この場合も同様の効果を奏する。

【００４７】（実施例３）図６は、本実施例にかかる燃
料電池の基本単位の構成を示す図であって、図２と同様
に断面が描かれている。なお、実施例１の燃料電池１と
同じ構成要素については、図中に同一の番号を付し、そ
の説明を省略する。本実施例の燃料電池１０１は、実施
例１の燃料電池１と同様の構成であるが、燃料電池１で
は、シール材５０と充填材７０並びにシール材６０と充
填材８０が、各々別体で構成されているのに対して、燃
料電池１０１では、シール材と充填材とが一体となった
シール充填材１５０及びシール充填材１６０が用いられ
ている点が異なっている。

【００４８】図７は、シール充填材１５０の斜視図であ
り、図中の斜線部は、Ｘ−Ｘ線に沿った断面を表してい
る。シール充填材１５０は、図に示されるようにシール
材としての機能を持つシール部１５１の内側に、充填材
としての機能を持つ充填部１５２が形成されている。シ
ール部１５１及び充填部１５２は、実施例１のシール材
５０及び充填材７０と同様の形状であって、図６に示す
ように、アノード１２の外周１２ａが充填部１５２の内
側に丁度収納されるようになっている。

【００４９】また、シール充填材１６０は、シール充填
材１５０と同じものであって、シール部１５１と同様の
シール部１６１及び充填部１５２と同様の充填部１６２
が形成され、カソード１３の外周１３ａが充填部１６２
の内側に丁度収納されるようになっている。シール充填
材１５０，１６０の材料としては、シール部１５１，１
６１は弾力製のある材料が適しており、充填部１５２，
１６２は柔軟性とある程度の弾力性を備えた材料が適し
ている。その点で、シール部１５１，１６１と充填部１
５２，１６２とは、別々の材料で構成するのが好ましい
が、弾力性と柔軟性の両方を備えた単一の材料を用いて
全体を構成することも可能である。

【００５０】この燃料電池１０１においては、シール充
填材１５０，１６０の充填部１５２，１６２は、燃料電
池１の充填材７０，８０と同様、アノード１２及びカソ
ード１３の外周１２ａ，１３ａに沿って、イオン交換膜
１１と集電体４０，４１との間を充填し、イオン交換膜
１１を押さえて保持するので、イオン交換膜１１の変形
や破損が防止される。

【００５１】燃料電池１０１の製法は、先ず、電池プレ
ート３０を、カソードガスチャネル３１…側を上にして
置き、その中央部に集電体４１を配置した後、シール充
填材１６０を載置した後、セル１０を載置する。更に、
セル１０の外周部の上にシール充填材１５０、中央部の
上に集電体４０を順に積層し、その上から電池プレート
２０を配置することによって、積層体を組立てることが
でき、その後、実施例１と同様にして締め付けることに
よって作製される。

【００５２】ここで、充填材とシール材とが一体となっ
ているため、両者の位置合わせは不要であり、実施例１
の場合と比べて更に組立が容易である。なお、本実施例
の燃料電池１０１においても、実施例２と同様に、シー
ル充填材１５０，１６０をセル１０に接合してセルユニ
ットを作製したり、別個の保持枠体を用いてセルユニッ
トを作製することができ、この場合、電池の組立時に実
施例２と同様の効果を得ることが可能である。

【００５３】（実施例４）図８は、本実施例にかかる燃
料電池の基本単位の構成を示す図であって、図２と同様
に断面が描かれている。なお、実施例１の燃料電池１と
同じ構成要素については、図中に同一の番号を付し、そ
の説明を省略する。本実施例の燃料電池２０１は、実施
例１の燃料電池１と同様の構成であるが、燃料電池１で
は、集電体４０と充填材７０並びに集電体４１と充填材
８０が各々別体で構成されているのに対して、燃料電池
２０１では、充填材としての機能も備えた集電体１４０
及び集電体１４１が用いられている点が異なっている。

【００５４】図９は、集電体１４１の斜視図であって、
図中の斜線部は、Ｘ−Ｘ線に沿った断面を表している。
集電体１４１は、実施例１の集電体４１と同じ材料でほ
ぼ同様の形状であるが、図に示されるように、その外周
端部には、中央部１４１ａより厚みの厚い充填部１４１
ｂが形成されている点が異なっている。中央部１４１ａ
は、カソード１３と同じ寸法であって、充填部１４１ｂ
は、カソード１３の厚みだけ厚く形成され、図８に示す
ように、中央部１４１ａにカソード１３が丁度納まって
いる。

【００５５】なお、充填部１４１ｂの幅は、実施例１の
充填材８０と同等で、その厚さは集電体４１と充填材８
０との厚さを合わせたものに相当する。また、図８に示
すように、集電体１４０は、集電体１４１と同じもので
あって、中央部１４１ａと同様の中央部１４０ａ、及び
充填部１４０ｂと同様の充填部１４０ｂから構成され、
中央部１４１ａにアノード１２が丁度納まっている。

【００５６】この燃料電池２０１においては、充填部１
４２，１４３が、燃料電池１の充填材７０，８０と同様
に、アノード１２及びカソード１３の外周１２ａ，１３
ａとシール材５０，６０との間において、イオン交換膜
１１と電池プレート２０，３０との間を充填し、イオン
交換膜１１を押さえて保持するので、イオン交換膜１１
の変形や破損が防止される。

【００５７】この燃料電池２０１は、電池プレート３０
を、カソードガスチャネル３１…側を上にして置き、そ
の外周部にはシール材６０を、中央部には集電体１４１
を載置した後、セル１０を載置する。更に、そのセル１
０の外周部にシール材５０、中央部に集電体１４０を積
層し、その上から電池プレート２０を載置することによ
って、積層体を組立てることができ、その後、実施例１
と同様にして締め付けることによって作製される。

【００５８】ここで、集電体１４０，１４１では集電体
と充填材とが一体となっているため、電池組立時に集電
体と充填材との位置合わせが不要であって、実施例１の
燃料電池１の場合と比べて組立が容易である。なお、本
実施例の燃料電池２０１においても、実施例２と同様
に、シール充填材１５０，１６０をセル１０に接合する
ことによってセルユニットを作製したり、別個の保持枠
体を用いてセルユニットを作製することができ、この場
合、電池の組立時に実施例２と同様の効果を得ることが
可能である。

【００５９】（比較例）図１０は、本比較例にかかる固
体高分子型燃料電池の構成を示す図である。この燃料電
池３０１は、充填材７０，８０が設けられていない点以
外は実施例１の燃料電池１と同様の構成であって、イオ
ン交換膜３１１にアノード３１２，カソード３１３を配
したセル３１０と、複数のアノードガスチャネル３２１
…が形成された電池プレート３２０及び複数のカソード
ガスチャネル３３１…が形成された電池プレート３３０
と、一対の集電体３４０，３４１と、シール材３５０，
３６０とから構成されている。

【００６０】この燃料電池３０１では、アノード３１
２，カソード３１３の外周３１２ａ，３１３ａとシール
材３５０，３６０との間の範囲で、イオン交換膜３１１
と集電体３４０，３４１との間に、アノード３１２，カ
ソード３１３の厚みに相当する間隙３９０，３９１が形
成されている。従って、イオン交換膜３１１にアノード
ガスとカソードガスの差圧がかかったり、イオン交換膜
３１１が乾燥してこれに収縮力がかかった場合に、間隙
３９０，３９１の部分でイオン交換膜３１１の変形や破
損が発生しやすい。

【００６１】（その他の事項）上記実施例１〜４では、
各電池プレートが一体形成されている例を示したが、複
数の部材を組み合わせて作製した電池プレートを用いて
も同様に実施することができる。上記実施例１〜４で
は、片面にガスチャネルが形成された電池プレートを用
いた燃料電池の例を示したが、両面にガスチャネルが形
成されたバイポーラプレートを用いた燃料電池において
も、同様に実施することができる。

【００６２】上記実施例１〜４では、内部マニホールド
型の固体高分子型燃料電池の例を示したが、外部マニホ
ールド型の固体高分子型燃料電池においても、同様にし
て実施することができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、積層型の固体高分子型
燃料電池において、イオン交換膜が変形したり破損した
りすることを防止することができる。従って、長寿命の
固体高分子型燃料電池を開発する上で価値のある技術で
ある。また、本発明の固体高分子型燃料電池の製造方法
によれば、そのような特性を持つ固体高分子型燃料電池
を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にかかる固体高分子型燃料電池の基本
単位の構成を示す分解斜視図である。

【図２】図１に示す燃料電池１をＸ−Ｘ線に沿って切断
した断面を描いた図である。

【図３】実施例１の燃料電池の一変形例を示す図であ
る。

【図４】実施例１の燃料電池の一変形例を示す図であ
る。

【図５】実施例２にかかるシール材が接合されたセルの
図である。

【図６】実施例３にかかる燃料電池の基本単位の構成を
示す図である。

【図７】実施例３にかかるシール充填材の斜視図であ
る。

【図８】実施例４にかかる燃料電池の基本単位の構成を
示す図である。

【図９】実施例４にかかる集電体の斜視図である。

【図１０】比較例にかかる固体高分子型燃料電池の構成
を示す図である。

【符号の説明】

１燃料電池１０セル１１イオン交換膜１２アノード１３カソード２０，３０電池プレート２１アノードガスチャネル３１カソードガスチャネル４０，４１集電体５０，６０シール材７０，８０充填材１０１燃料電池１４０，１４１集電体１５０，１６０シール充填材２０１燃料電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西尾晃治大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン交換膜の中央部に一対の電極を配
したセルが、前記電極に対向してガスチャネルが設けら
れた一対の電池プレートで挟持されて構成され、且つ前
記セルの中央部と電池プレートとの間には一対の集電体
が介挿され、前記セルの外周部と一対の電池プレートと
間にはシール部が設けられている固体高分子型燃料電池
において、前記電極の外周と前記シール部との間には、イオン交換
膜と電池プレートとの間の間隙を充填する充填材が設け
られていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】前記集電体には、前記充填材を兼ねる外
周端部が形成されていることを特徴とする請求項１記載
の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】前記充填材の材料は、前記電池プレートが挟持する圧力で加圧するときに圧縮
される材料であることを特徴とする請求項１記載の固体
高分子型燃料電池。
【請求項４】前記充填材は、前記イオン交換膜の外周
部と前記一対の電池プレートとの間をシールするシール
材と一体形成されていることを特徴とする請求項１記載
の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】前記イオン交換膜の外周部には、更に、前記セルを所定の形状に保持する保持用枠体が接
合されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分
子型燃料電池。
【請求項６】前記保持用枠体は、前記充填材と一体形
成されていることを特徴とする請求項５記載の固体高分
子型燃料電池。
【請求項７】イオン交換膜の中央部に一対の電極を配
したセルが、前記電極に対向してガスチャネルが設けら
れた一対の電池プレートで挟持されて構成され、且つ前
記セルの中央部と電池プレートとの間には一対の集電体
が介挿され、前記セルの外周部と一対の電池プレートと
の間にはシール部が設けられ、前記電極の外周と前記シ
ール部との間には、イオン交換膜と電池プレートとの間
の間隙を充填する充填材が設けられている固体高分子型
燃料電池の製造方法であって、前記一対の集電体と、充填材の材料とを介挿しつつ、該
セルを一対の電池プレートで挟持する積層ステップと、前記積層ステップの後、前記充填材の材料を圧縮しなが
ら、一対の電池プレートを締め付けると共に、セルと一
対の電池プレートの外周部とをシールする締付ステップ
とを備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池の製
造方法。
【請求項８】前記積層ステップの前に、セルを所定の形状に保持する保持用枠体をイオン交換膜
の外周部に接合する枠体接合ステップを備えることを特
徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池の製造方
法。