特許 7181409 燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-21

(45)【発行日】2022-11-30

(54)【発明の名称】燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0271 20160101AFI20221122BHJP

   H01M 8/0286 20160101ALI20221122BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20221122BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20221122BHJP

   F16J 15/06 20060101ALI20221122BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0271

H01M8/0286

H01M8/0276

H01M8/10

F16J15/06 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021536840

(86)(22)【出願日】2020-06-24

(86)【国際出願番号】 JP2020024777

(87)【国際公開番号】W WO2021019974

(87)【国際公開日】2021-02-04

【審査請求日】2021-10-29

(31)【優先権主張番号】P 2019139383

(32)【優先日】2019-07-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004385

【氏名又は名称】ＮＯＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 泰輔

(72)【発明者】

【氏名】由井 元

(72)【発明者】

【氏名】渡部 茂

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－００５２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２５２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０３５２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公平０６－０１５４０２（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特開２００６－１５６２１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、
配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、
前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとの間にそれぞれ前記シール部材を介して配置された膜電極複合体と、を有し、
前記膜電極複合体の本体部が反応流路部同士に挟持されることにより反応領域が形成されているとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムが前記シール部材同士に挟持されることによりシール領域が形成され、
前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面は、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定されており、
前記シール領域における前記一方側セパレータの前記シール部材のつぶし代及び前記一方側セパレータのつぶし代の和は、前記他方側セパレータに配置されるシール部材のつぶし代及び前記他方側セパレータのつぶし代の和よりも小さいことを特徴とする燃料電池セル。

【請求項2】

平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、
配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、
前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとの間にそれぞれ前記シール部材を介して配置された膜電極複合体と、を有し、
前記膜電極複合体の本体部が反応流路部同士に挟持されることにより反応領域が形成されているとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムが前記シール部材同士に挟持されることによりシール領域が形成され、
前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面は、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定されており、
前記一方側セパレータに設けられた前記シール部材の幅方向の一方側又は両側に受け部を有し、組付け前の前記受け部の高さは、前記一方側セパレータに配置される前記シール部材の厚さよりも大きくなっていることを特徴とする燃料電池セル。

【請求項3】

平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、
配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、
前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとの間にそれぞれ前記シール部材を介して配置された膜電極複合体と、を有し、
前記膜電極複合体の本体部が反応流路部同士に挟持されることにより反応領域が形成されているとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムが前記シール部材同士に挟持されることによりシール領域が形成され、
前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面は、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定されており、
前記膜電極複合体の本体部から張り出した前記電解質膜又はフィルムに形成された受け部を有し、
前記受け部は、前記一方側セパレータに配置される前記シール部材の幅方向の一方側又は両側に配置され、
組付け前の前記受け部の高さは、前記一方側セパレータに配置される前記シール部材の厚さよりも大きくなっていることを特徴とする燃料電池セル。

【請求項4】

平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、膜電極複合体と、を準備する準備工程と、
前記一方側セパレータの上に前記膜電極複合体を配置し、前記膜電極複合体の本体部を前記一方側セパレータの前記反応流路部の上に配置するとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムを前記一方側セパレータの前記シール部材の上に配置する膜電極複合体配置工程と、
前記膜電極複合体の上に前記他方側セパレータを配置し、前記反応流路部同士で前記膜電極複合体の本体部を挟持して反応領域を形成するとともに、前記シール部材同士で前記電解質膜又はフィルムを挟持してシール領域を形成する他方側セパレータ配置工程と、
前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとを近接させる方向に力を付与する圧縮工程と、を含み、
前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面を、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定し、
前記シール領域における前記一方側セパレータの前記シール部材のつぶし代及び前記一方側セパレータのつぶし代の和を、前記他方側セパレータに配置されるシール部材のつぶし代及び前記他方側セパレータのつぶし代の和よりも小さく設定することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池セルは、例えば、特許文献１に示すように、膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜電極複合体を挟持する一対のセパレータと、一対のセパレータと膜電極複合体との間にそれぞれ介設されるシール部材と、を備えている。膜電極複合体は、電解質膜、一対の触媒電極層及び一対のガス拡散層を備えている。ここで、膜電極複合体のうち、触媒電極層及びガス拡散層が形成されている部位を「本体部」とし、当該本体部から外側に張り出す電解質膜又はフィルムを「張出部」とする。シール部材は、例えば、弾性体やガスケット等である。

【0003】

膜電極複合体の本体部は、一対のセパレータに設けられた反応流路部同士に挟持されて反応領域を形成する。膜電極複合体の張出部は、一対のセパレータに設けられたシール部材同士に挟持されてシール領域を形成する。燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数個積層させ、燃料電池セル間で所定のクリアランス又は荷重で圧縮して構成される。燃料電池セルが圧縮される際、膜電極複合体もシール部材を介して圧縮されるが、シール領域と反応領域の間の張出部にしわが発生しないことが望ましい。

【0004】

図１０Ａは、従来の燃料電池セルの組付け時を示す要部断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの圧縮時を示す要部断面図である。図１１Ａは、従来の他の燃料電池セルの組付け時を示す要部断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの圧縮時を示す要部断面図である。

【0005】

図１０Ａに示すように、従来の燃料電池セル１００は、セパレータ１０１と、セパレータ１０２と、膜電極複合体１０３と、を備えている。下側に配置されるセパレータ１０１は、反応流体が流通する反応流路部１０６と、シール部材１０４が配置される凸ビード１０８とを備えている。上側に配置されるセパレータ１０２は、反応流体が流通する反応流路部１０７と、シール部材１０５が配置される凸ビード１０９とを備えている。

【0006】

燃料電池セル１００を組み付ける際は、まず、下側のセパレータ１０１の上に、膜電極複合体１０３を配置する。膜電極複合体１０３の本体部１１１を反応流路部１０６の上に配置し、張出部（電解質膜又はフィルム）１１２をシール部材１０４の上に配置する。張出部１１２は、本体部１１１よりも外側に張り出す部位である。このとき、シール部材１０４と反応流路部１０６との間において、張出部１１２にはその自重によりたわみ１２０が形成される。

【0007】

図１０Ｂに示すように、セパレータ１０１，１０２同士を近接させる方向に力を付与すると、シール領域では凸ビード１０８，１０９がそれぞれ高さ方向に収縮するとともに、シール部材１０４，１０５も収縮する。また、反応領域では、膜電極複合体１０３の本体部１１１のガス拡散層が収縮する。これにより、シール領域の張出部１１２の高さ位置と、反応領域での電解質膜の高さ位置は概ね同一となる。一方、張出部１１２においては、シール領域と反応領域の間にしわ１２０Ａが発生するおそれがある。

【0008】

図１１Ａに示すように、従来の他の燃料電池セル２００は、セパレータ２０１と、セパレータ２０２と、膜電極複合体２０３と、を備えている。下側に配置されるセパレータ２０１は、シール部材２０４及び反応流体が流通する反応流路部２０６を備えている。シール部材２０４は、先端に向かうにつれて縮径するリップガスケットである。上側に配置されるセパレータ２０２は、シール部材２０５及び反応流体が流通する反応流路部２０７を備えている。

【0009】

燃料電池セル２００を組み付ける際には、まず、セパレータ２０１の上に、膜電極複合体２０３を配置する。膜電極複合体２０３の本体部２１１は反応流路部２０６の上に配置し、張出部（電解質膜又はフィルム）２１２はシール部材２０４の上に配置する。このとき、シール部材２０４と反応流路部２０６との間において、張出部２１２にはその自重によりたわみ２２０が形成されている。

【0010】

図１１Ｂに示すように、セパレータ２０１，２０２同士を近接させる方向に力を付与すると、シール領域ではシール部材２０４及びシール部材２０５は高さ方向に収縮する。また、反応領域では、膜電極複合体２０３の本体部２１１のガス拡散層が収縮する。一方、張出部２１２においては、シール領域と反応領域の間にしわ２２０Ａが発生するおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２００９－３７９６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

膜電極複合体１０３，２０３の外側に張り出す張出部（本体部の外側に張り出す電解質膜又はフィルム）１１２，２１２にはしわが発生しないことが望ましい。しかしながら、燃料電池セル１００，２００は、いずれも組付け時に膜電極複合体１０３，２０３にたわみ１２０，２２０が発生しており、当該たわみ１２０，２２０に起因して圧縮時にしわ１２０Ａ，２２０Ａが発生すると推察される。

【0013】

また、膜電極複合体１０３，２０３の外側に張り出す張出部１１２，２１２は、薄くかつ柔らかい材料で形成されているため、たわみやしわが発生しやすい。さらに、シール部材２０４のように高さの大きいリップガスケットを用いる場合、つぶし代分高く設定されていることも張出部１１２，２１２のたわみの要因となる。

【0014】

本発明はかかる課題を解決するために発明されたものであり、膜電極複合体の外側に張り出す電解質膜又はフィルムのしわを無くすか、小さくことができる燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

前記課題を解決するための本発明は、平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとの間にそれぞれ前記シール部材を介して配置された膜電極複合体と、を有し、前記膜電極複合体の本体部が反応流路部同士に挟持されることにより反応領域が形成されているとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムが前記シール部材同士に挟持されることによりシール領域が形成され、前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面は、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定されていることを特徴とする。

【0016】

また、本発明は、平坦に形成された配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた一方側セパレータと、配置部に配置されたシール部材及び反応ガスが流通する反応流路部を備えた他方側セパレータと、膜電極複合体と、を準備する準備工程と、前記一方側セパレータの上に前記膜電極複合体を配置し、前記膜電極複合体の本体部を前記一方側セパレータの前記反応流路部の上に配置するとともに、前記本体部から張り出した電解質膜又はフィルムを前記一方側セパレータの前記シール部材の上に配置する膜電極複合体配置工程と、前記膜電極複合体の上に前記他方側セパレータを配置し、前記反応流路部同士で前記膜電極複合体の本体部を挟持して反応領域を形成するとともに、前記シール部材同士で前記電解質膜又はフィルムを挟持してシール領域を形成する他方側セパレータ配置工程と、前記一方側セパレータと前記他方側セパレータとを近接させる方向に力を付与する圧縮工程と、を含み、前記一方側セパレータの前記反応流路部のうち前記膜電極複合体の前記本体部が当接する当接面を、前記一方側セパレータの前記配置部の配置面よりも前記膜電極複合体から離間する側に設定することを特徴とする。

【0017】

かかる構成によれば、シール領域と反応領域の間において、組付け時の張出部（電解質膜又はフィルム）の高さの差を小さくすることができる。これにより、組付け時に張出部のたわみを無くすか、小さくすることができ、圧縮後においても膜電極複合体の張出部のしわを無くすか、小さくすることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明の燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法によれば、膜電極複合体の外側に張り出す電解質膜又はフィルムのしわを無くすか、小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施例１に係る燃料電池セルを示す要部断面図である。

【図2】実施例１に係る燃料電池セルを示す要部分解断面図である。

【図3】実施例１に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。

【図4】実施例１の変形例１に係る燃料電池セルの要部分解断面図である。

【図5】実施例１の変形例１に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。

【図6】実施例１の変形例２に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。

【図7】実施例２に係る燃料電池セルを示す要部断面図である。

【図8】実施例２に係る燃料電池セルを示す要部分解断面図である。

【図9】実施例２に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。

【図10A】従来の燃料電池セルの組付け時を示す要部断面図である。

【図10B】図１０Ａの圧縮時を示す要部断面図である。

【図11A】従来の他の燃料電池セルの組付け時を示す要部断面図である。

【図11B】図１１Ａの圧縮時を示す要部断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池セル１は、一方側セパレータ２と、他方側セパレータ３と、膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４とを備えている。一方側セパレータ２は、平坦に形成された配置部５に配置されたシール部材６及び反応ガスが流通する反応流路部７を備えている。他方側セパレータ３は、配置部８に配置されたシール部材９及び反応ガスが流通する反応流路部１０を備えている。

【0021】

膜電極複合体４は、一方側セパレータ２と他方側セパレータ３との間にそれぞれシール部材６，９を介して配置されている。膜電極複合体４は、電解質膜１１、一対の触媒電極層（図示省略）及び一対のガス拡散層１２，１２で構成されている。電解質膜１１、一対の触媒電極層及び一対のガス拡散層１２，１２で構成される厚い部位を「本体部１３」とし、本体部１３から外側に張り出す電解質膜１１を「張出部１４」とする。張出部１４は、フィルムで形成されている場合もある。

【0022】

膜電極複合体４の本体部１３が反応流路部７，１０同士に挟持されて反応領域２１を形成するとともに、張出部１４がシール部材６，９同士に挟持されてシール領域２２を形成している。一方側セパレータ２の反応流路部７のうち膜電極複合体４の本体部１３に当接する当接面１７ｂは、一方側セパレータ２の配置部５の配置面５ａよりも低い位置に設定されている。つまり、当接面１７ｂは、一方側セパレータ２の配置面５ａよりも膜電極複合体４から離間する側に設定されている。

【0023】

図３に示すように、本実施形態の燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法では、膜電極複合体４の本体部１３に当接する当接面１７ｂを、一方側セパレータ２の配置部５の配置面５ａよりも低い位置に設定している。これにより、一方側セパレータ２の上に膜電極複合体４を配置したときに、張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）を概ね平坦にすることができる。また、圧縮時においても張出部１４の高さ方向の変位を少なくすることができる。これにより、燃料電池セル１を組み付ける際に、反応領域２１とシール領域２２との間の張出部１４のたわみを無くすか、小さくすることができ、圧縮後においても、張出部１４のしわを無くすか、小さくすることができる。以下、実施例について詳細に説明する。

【0024】

［実施例１］
図１に示すように、燃料電池セル１は、アノード側より供給される水素（燃料ガス）、カソード側より供給される酸素（酸化ガス）との化学反応により発電する部材である。前記燃料ガス及び酸化ガスを総称して「反応ガス」とも言う。燃料電池スタックは、燃料電池セル１を複数個積層させ、隣り合う燃料電池セル１，１間で所定のクリアランス又は荷重で圧縮することで形成される。

【0025】

一方側セパレータ２は、本実施例では膜電極複合体４の下側に配置される板状部材である。一方側セパレータ２は、配置部５と、反応流路部７とを有する。配置部５は、シール部材６が配置される部位であり、凸ビードが無く平坦に形成されている。配置部５は、一方側セパレータ２のうち膜電極複合体４に対向する面に形成されている。配置部５は、本実施例では凸ビード等が無い平坦な形状になっているが、シール部材６を平坦に配置できる範囲で配置部５の一部に溝等が形成されていてもよい。

【0026】

シール部材６は、弾性材料で形成されており、本実施例では断面矩形のフラットガスケットである。シール部材６は、弾性を有する材料で形成すればよく、例えば、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）等を用いることができる。

【0027】

シール部材６は、一方側セパレータ２に一体成形されるか、又は、シール部材６を成形した後、当該シール部材６を一方側セパレータ２に貼り付けて形成することができる。また、粘着剤付きの樹脂補強体にシール部材６を一体成形して一方側セパレータ２に貼り付けることもできる。シール部材６の形状は、適宜設定すればよいが、本実施例では張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）が当接する当接面６ａが平坦であることが好ましい。

【0028】

反応流路部７には、反応ガスを反応領域に広く拡散させるために複数の流路溝１７が形成されている。隣り合う流路溝１７，１７の間には、膜電極複合体４の本体部１３に当接する複数の当接面１７ｂが形成されている。当接面１７ｂは、それぞれ同じ高さ位置に形成されており、配置部５の配置面５ａと平行になっている。当接面１７ｂは、電解質膜１１の厚さ方向において配置部５の配置面５ａよりも低くなる（電解質膜１１から離間する側）ように設定されている。

【0029】

他方側セパレータ３は、本実施例では膜電極複合体４の上側に配置される板状部材である。他方側セパレータ３は、配置部８と、反応流路部１０とを有する。配置部８は、シール部材９が配置される部位であり、凸ビードが無く平坦に形成されている。配置部８は、膜電極複合体４に対向する面に形成されている。配置部８は、本実施例では平坦になっているが、配置部８の一部に溝等が形成されていてもよい。

【0030】

シール部材９は、弾性材料で形成されており、本実施例では先端に向けて縮径するリップガスケットである。シール部材９の弾性材料はシール部材６と同じである。また、シール部材９と他方側セパレータ３との成形方法もシール部材６と同じである。シール部材９の形状は、反応ガスが遺漏しないようにシール可能であれば特に制限されない。

【0031】

反応流路部１０には、反応ガスを反応領域に広く拡散させるための複数の流路溝１８が形成されている。隣り合う流路溝１８，１８の間には、膜電極複合体４の本体部１３に当接する複数の当接面１８ｂが形成されている。当接面１８ｂは、それぞれ同じ高さ位置に形成されており、配置部８の配置面８ａと平行になっている。当接面１８ｂは、電解質膜１１の厚さ方向において配置部８の配置面８ａよりも低い位置（電解質膜１１に近接する側）となるように設定されている。また、流路溝１８の底面１８ａは、本実施例では、配置面８ａと当接面１８ｂの間に形成されている。

【0032】

膜電極複合体４の本体部１３の厚さは、張出部１４の厚さに対して十分に大きくなっている。張出部１４は、電解質膜１１又はフィルムで形成されている。

【0033】

膜電極複合体４の本体部１３は、反応流路部７の当接面１７ｂと、反応流路部１０の当接面１８ｂとで挟持される。これにより、反応ガスの化学反応が促進される反応領域２１が形成される。また、膜電極複合体４の張出部１４は、シール部材６，９で挟持される。これにより、反応ガスがシールされるシール領域２２が形成される。張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）の位置は、反応領域２１とシール領域２２との間で概ね同じ高さ位置になっている。つまり、張出部１４は、反応領域２１とシール領域２２との間で、一方側セパレータ２の配置部５と概ね平行になっている。

【0034】

図２に示すように、組付け前の一方側セパレータ２に配置されるシール部材６の厚さをｔ１とし、一方側セパレータ２に配置されるシール部材６のつぶし代をｔ１_Cとする。また、一方側セパレータ２の反応流路部７の当接面１７ｂから一方側セパレータ２の配置部５の配置面５ａまでの高さをｔ２とする。

【0035】

また、一方側セパレータ２側に配置されたガス拡散層１２の組付け前の厚さ寸法をＴ_GDLとし、当該ガス拡散層１２のつぶし代寸法をＴ_Cとする。また、流路溝１７の底面１７ａから当接面１７ｂまでの高さ寸法をｔ３とする。また、流路溝１７の底面１７ａから、配置部５の配置面５ａまでの高さ寸法をｔ４とする。このとき、本実施例では、下記の式（１）を満たすように各寸法が設定されている。

【0036】

（ｔ１－ｔ１_C）＋ｔ２＝（Ｔ_GDL－Ｔ_C） 式（１）

【0037】

なお、張出部１４を平坦に設計することは困難であるため、反応ガスの化学反応が促進される範囲で下記の式（２）を満たすように各寸法を設定してもよい。

【0038】

（ｔ１－ｔ１_C）＋ｔ２＝（Ｔ_GDL－Ｔ_C）×α 式（２）
α＝０．８～１．２

【0039】

また、他方側セパレータ３の流路溝１８の底面１８ａから当接面１８ｂまでの高さ寸法をｔ６とし、配置部８の配置面８ａから底面１８ａまでの高さ寸法をｔ７とし、配置部８の配置面８ａから当接面１８ｂまでの高さ寸法をｔ８とする。また、組付け前の他方側セパレータ３に配置されるシール部材９の厚さ寸法をｔ１０とし、他方側セパレータ３に配置されるシール部材９のつぶし代をｔ１０ｃとする。このとき、本実施例では下記の式（３）、式（４）を満たすように各寸法が設定されている。

【0040】

ｔ２≦ｔ４＜ｔ８ 式（３）
ｔ２＜ｔ７≦ｔ８ 式（４）

【0041】

前記した式（１）、式（２）、式（３）及び式（４）は、例示であって各部位の寸法は適宜設計が可能である。例えば、流路溝１７，１８の高さｔ３，ｔ６は、反応ガス（水素、酸素）及び冷却水の流動性やガス拡散層１２の圧縮率から適宜設定すればよい。

【0042】

次に、本実施例に係る燃料電池セルの製造方法について説明する。本実施例に係る燃料電池セルの製造方法では、準備工程と、膜電極複合体配置工程と、他方側セパレータ配置工程と、圧縮工程とを行う。

【0043】

図２に示すように、準備工程は、前記した一方側セパレータ２、他方側セパレータ３及び膜電極複合体４を準備する工程である。図３に示すように、膜電極複合体配置工程は、一方側セパレータ２の上に、膜電極複合体４を配置する工程である。膜電極複合体配置工程では、膜電極複合体４の本体部１３を反応流路部７の当接面１７ｂに配置するとともに、張出部１４をシール部材６の当接面６ａに配置する。このとき、張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）の高さ位置は概ね一定とすることができる。

【0044】

他方側セパレータ配置工程は、膜電極複合体４の上に他方側セパレータ３を配置する工程である。他方側セパレータ配置工程では、膜電極複合体４の本体部１３の上に反応流路部１０の当接面１８ｂを当接させるとともに、シール部材９をシール部材６に対向させつつ張出部１４に当接させる。

【0045】

圧縮工程は、組付けられた燃料電池セル１を複数個積層させ、所定のクリアランス又は荷重で一方側セパレータ２と他方側セパレータ３とを近接させる方向に力を付与して圧縮する。これにより、図１に示すように、シール部材６，９が収縮されるとともに、ガス拡散層１２，１２も収縮される。圧縮後、張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）は、しわがなく、一方側セパレータ２の配置部５と概ね平行になっている。

【0046】

次に、本実施例の作用効果について説明する。本実施例に係る燃料電池セル１及び燃料電池セルの製造方法では、図２に示すように、反応流路部７の当接面１７ｂが、一方側セパレータ２の配置部５の配置面５ａよりも低い位置（電解質膜１１から離間した位置）に設定されている。換言すると、シール部材６の当接面６ａと、流路溝１７の当接面１７ｂとで、膜電極複合体４のガス拡散層１２の厚さを吸収するための段差を設けている。これにより、膜電極複合体配置工程において、膜電極複合体４を一方側セパレータ２に配置した際、張出部１４のたわみを無くすか、小さくすることができる。換言すると、膜電極複合体配置工程において、一方側セパレータ２の配置部５と概ね平行となるように張出部１４を平坦に配置することができる。

【0047】

図１０Ａ及び図１１Ａで示したように、組付け時に張出部１１２，２１２にたわみが発生していると圧縮時に張出部１１２，２１２にしわが発生やすくなるが、本実施例では、膜電極複合体配置工程でたわみを無くすか、小さくすることができるため、圧縮工程後の燃料電池セル１において、張出部１４のしわを無くすか、小さくすることができる。

【0048】

ここで、例えば、図１０Ａの凸ビード１０８及び図１１Ａのシール部材２０４のように、セパレータ１０１，２０１側のつぶし代を大きく設定すると圧縮工程の際に張出部１１２，２１２の高さ方向（電解質膜の厚さ方向）の変位が大きくなり、しわの発生の要因となる。また、この形態であると、各部位の寸法設計、つぶし代の設計が困難になる。

【0049】

この点、本実施例によれば、シール領域２２における一方側セパレータ２のシール部材６のつぶし代ｔ１ｃ及び一方側セパレータ２のつぶし代（凸ビードが無いため実質ゼロ）の和を、他方側セパレータ３のシール部材９のつぶし代ｔ１０ｃ及び他方側セパレータ３のつぶし代（凸ビードが無いため実質ゼロ）の和よりも小さく設定している。

【0050】

つまり、圧縮工程において、一方側セパレータ２のシール部材６のつぶし代ｔ１ｃを、他方側セパレータ３のシール部材９のつぶし代ｔ１０ｃよりも小さく設定することにより、圧縮工程時のシール領域２２における張出部１４の高さ方向（電解質膜１１の厚さ方向）の変位を小さくすることができる。これにより、圧縮工程時においても、張出部１４のしわを無くすか、小さくすることができる。また、本実施例によれば、各部位の寸法設計、つぶし代の設計を容易に行うことができる。

【0051】

また、各部材の高さ寸法、厚さ寸法は適宜設定すればよいが、前記した式（１）のように条件を設定すれば、圧縮後の反応領域２１側の電解質膜１１の高さ位置と、シール領域２２側の張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）の高さ位置を概ね同一にすることができる。これにより、張出部１４のしわを無くすか、より小さくすることができる。

【0052】

また、他方側セパレータ３のシール部材９にリップガスケットを用いることで、配置部８を平坦にしつつ、反応流路部１０側との高さ位置を容易に調節することができる。

【0053】

また、シール部材６の当接面６ａを平坦にすることで、各部材の組付け時に張出部１４にたわみが発生するのを防ぐことができ、ひいては張出部１４にしわが発生するのを防ぐことができる。また、平坦に形成されている一方側セパレータ２の配置部５の上に、膜電極複合体４を配置することで、簡単な作業で各部材の組付け時に張出部１４にたわみが発生するのを防ぐことができ、ひいては張出部１４にしわが発生するのを防ぐことができる。

【0054】

［変形例１］
次に、実施例１の変形例１について説明する。図４は、実施例１の変形例１に係る燃料電池セルの要部分解断面図である。図５は、実施例１の変形例１に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。当該変形例１では、図４に示すように、一方側セパレータ２に受け部３１，３１が形成されている点で実施例１と相違する。変形例１では、実施例１と相違する部分を中心に説明する。

【0055】

受け部３１は、一方側セパレータ２の配置部５において、シール部材６の両側に形成されている。受け部３１は、シール部材６の延長方向に対して断続的に形成されていてもよいし、連続的に形成されていてもよい。また、受け部３１は、シール部材６の片側のみに形成されていてもよい。

【0056】

受け部３１の形状は、特に制限されないが、本変形例では先端に向けて縮径するように形成されている。受け部３１の高さ寸法は、組付け前においてシール部材６の厚さよりも大きくなるように設定されている。受け部３１の材料は特に制限されないが、例えば、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、樹脂等を用いることができる。

【0057】

図５に示すように、変形例１に係る膜電極複合体配置工程では、一方側セパレータ２の上に、膜電極複合体４を配置する。膜電極複合体４の本体部１３を反応流路部７の当接面１７ｂ，１７ｂに配置するとともに、張出部１４を受け部３１，３１の上に配置する。このとき、張出部１４は受け部３１，３１の先端に当接するが、シール部材６の当接面６ａとは離間している。離間寸法は適宜設定すればよいが、例えば、０．１ｍｍに設定する。なお、説明の便宜上、図５ではシール部材６の当接面６ａから張出部１４までの隙間を実際よりも大きく描画している。

【0058】

圧縮工程では、一方側セパレータ２と他方側セパレータ３とが互いに近接する方向に荷重が作用するため、前記した実施例１と同様に、張出部１４はシール部材６，９とそれぞれ接触し、挟持される。したがって、受け部３１は、当該シール機構に影響の無い材料、形状等に設定することが好ましい。

【0059】

ここで、シール部材６に粘着性（タック性）がある場合に、膜電極複合体配置工程及び他方側セパレータ配置工程を行うと、張出部１４とシール部材６とが貼り付いてしまい、作業時間が増大したり、たわみ、しわ等の原因になったりするおそれがある。

【0060】

これに対し、変形例１によれば、一方側セパレータ２の配置部５に受け部３１，３１を有しているため、圧縮工程を行う前に、張出部１４とシール部材６とが貼り付くのを防ぐことができる。これにより、シール部材６のタック性が高い場合でも張出部１４がシール部材６に貼り付きにくく、組付けが容易となり、作業時間を短縮することができる。さらに、たわみがある状態でシール部材６に張出部１４が貼り付くことを防ぐことができる。また、受け部３１が、低タック性の材料であればより作業性を高めることができる。

【0061】

［変形例２］
図６は、実施例１の変形例２に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図６に示すように、受け部３１，３１は、張出部１４（電解質膜１１又はフィルム）に設けてもよい。

【0062】

変形例２に係る受け部３１，３１は、張出部１４のうち一方側セパレータ２に対向する面に形成されている。受け部３１，３１は、張出部１４において、シール部材６の両側に配置されるように形成されている。受け部３１は、シール部材６の延長方向に対して断続的に形成されていてもよいし、連続的に形成されていてもよい。また、受け部３１は、シール部材６の片側のみに配置されるように形成してもよい。

【0063】

膜電極複合体配置工程では、図６に示すように、一方側セパレータ２の上に膜電極複合体４を配置する。膜電極複合体４の本体部１３を反応流路部７の当接面１７ｂ，１７ｂに配置するとともに、受け部３１，３１の先端を一方側セパレータ２の配置部５に当接させる。このとき、張出部１４とシール部材６とは離間している。変形例２のように、受け部３１，３１は、張出部１４に設けてもよい。変形例２の構成であっても、変形例１と同等の効果を奏することができる。

【0064】

［実施例２］
次に、実施例２に係る燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法について説明する。図７は、実施例２に係る燃料電池セルを示す要部断面図である。実施例２に係る燃料電池セル１Ａは、図７に示すように、他方側セパレータ３Ａに凸ビード４１を設けている点と、シール部材４２を用いている点で主に相違する。実施例２では実施例１と相違する部分を中心に説明する。

【0065】

図７に示すように、一方側セパレータ２及び膜電極複合体４は、実施例１と同一である。他方側セパレータ３Ａは、凸ビード４１と、シール部材４２と、反応流路部１０とを備えている。凸ビード４１は、一方側セパレータ２側に向けて突出する部位である。凸ビード４１の先端には、シール部材４２を配置する平坦な配置部４３が形成されている。

【0066】

シール部材４２は、配置部４３に設けられている。シール部材４２は、本実施例では断面矩形のフラットガスケットを用いている。

【0067】

図８は、実施例２に係る燃料電池セルを示す要部分解断面図である。図８に示すように、各部材の寸法及び条件は、実施例１と概ね同一である。なお、組付け前の凸ビード４１の高さ寸法をｔ１１とし、凸ビード４１のつぶし代をｔ１１ｃとする。また、組付け前の他方側セパレータ３Ａに配置されるシール部材４２の厚さ寸法をｔ１２とし、シール部材４２のつぶし代をｔ１２ｃとする。

【0068】

次に、実施例２に係る燃料電池セルの製造方法について説明する。当該実施例２では、準備工工程と、膜電極複合体配置工程と、他方側セパレータ配置工程と、圧縮工程とを行う。準備工程では、一方側セパレータ２、他方側セパレータ３Ａ及び膜電極複合体４を準備する。

【0069】

図９は、実施例２に係る燃料電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図９に示すように、膜電極複合体配置工程では、実施例１と同じ要領で一方側セパレータ２の上に膜電極複合体４を配置する。他方側セパレータ配置工程では、膜電極複合体４の上に他方側セパレータ３Ａを配置する。他方側セパレータ配置工程では、反応流路部７，１０の間に膜電極複合体４の本体部１３を挟持して反応領域２１を形成するとともに、シール部材６，４２で張出部１４を挟持してシール領域２２を形成する。

【0070】

圧縮工程では、図７に示すように、一方側セパレータ２と他方側セパレータ３Ａとが近接する方向に圧縮する。これにより、シール部材６，４２が圧縮されるとともに、凸ビード４１及びガス拡散層１２，１２も圧縮される。張出部１４は、一方側セパレータ２の配置部５と概ね平行になっている。

【0071】

このように、実施例２に係る燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法によっても、実施例１と略同等の効果を奏することができる。また、他方側セパレータ３Ａに凸ビード４１を設け、当該凸ビード４１にシール部材４２を設けることで、反応流路部１０側との高さ位置を容易に調節することができる。

【0072】

また、シール領域２２における一方側セパレータ２のシール部材６のつぶし代ｔ１ｃ及び一方側セパレータ２のつぶし代（凸ビードが無いため実質ゼロ）の和を、他方側セパレータ３Ａの凸ビード４１のつぶし代ｔ１１ｃ及びシール部材４２のつぶし代ｔ１２ｃの和よりも小さく設定している（ｔ１ｃ＜（ｔ１１ｃ＋ｔ１２ｃ））。

【0073】

つまり、圧縮工程において、一方側セパレータ２のシール部材６のつぶし代ｔ１ｃを他方側セパレータ３Ａの凸ビード４１のつぶし代ｔ１１ｃ及びシール部材４２のつぶし代ｔ１２ｃの和よりも小さく設定することにより、圧縮工程時のシール領域２２における張出部１４の高さ方向（電解質膜１１の厚さ方向）の変位を小さくすることができる。これにより、圧縮工程時においても、張出部１４のしわを無くすか、小さくことができる。また、本実施例によれば、各部位の寸法設計、つぶし代の設計を容易に行うことができる。

【0074】

以上本発明の実施例を説明したが、前記した構成に限定されることなく適宜設計変形が可能である。例えば、実施例２の形態でも受け部３１を設けることもできる。

【符号の説明】

【0075】

１ 燃料電池セル
２ 一方側セパレータ
３ 他方側セパレータ
４ 膜電極複合体
５ 配置部
６ シール部材
７ 反応流路部
８ 配置部
９ シール部材
１０ 反応流路部
１１ 電解質膜
１２ ガス拡散層
１３ 本体部
１４ 張出部
１７ｂ 当接面
１８ｂ 当接面
３１ 受け部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】