(57)【要約】【課題】  部品点数の増加および重量化を抑制しつつシール不良の発生を抑制することができる燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池スタック（３００）の製造方法は、外周にシール部材（２０）が配置された膜−電極接合体（１０）の両面に一対のセパレータ（３０，４０）を配置するセル化工程と、セル化工程で製造された燃料電池（１００）を複数積層する積層工程と、積層された複数の燃料電池を締結部材（３４０）で締結するスタック化工程と、少なくともセル化工程からスタック化工程の終了までの間に、一対のセパレータ同士の位置決めを行う位置決め部材を挿入する工程と、を含み、位置決め部材は、シール部材もしくはスタック化工程後に除去可能な部材であることを特徴とするものである。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にシール部材が配置された膜−電極接合体の両面に一対のセパレータを配置するセル化工程と、
前記セル化工程で製造された燃料電池を複数積層する積層工程と、
前記積層された複数の燃料電池を締結部材で締結するスタック化工程と、
少なくとも前記セル化工程から前記スタック化工程の終了までの間に、前記一対のセパレータ同士の位置決めを行う位置決め部材を挿入する工程と、を含み、
前記位置決め部材は、前記シール部材もしくは前記スタック化工程後に除去可能な部材であることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項２】
前記一対のセパレータは、前記位置決め部材が配置される凹部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項３】
前記凹部は、開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積に比較して小さいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項４】
前記凹部は、前記一対のセパレータの距離が増大する場合に前記位置決め部材から抗力を受ける壁面を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
前記スタック化工程後に前記位置決め部材を除去する除去工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池スタックは、例えば、膜−電極接合体の両面に一対のセパレータを配置してセル化し、複数のセルを積層して締結することによって製造される。特許文献１には、燃料電池の一対のセパレータ間を燃料電池の積層方向に貫通する保持ピンを備える燃料電池スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セル化工程においてセルには、外部から積層方向の圧力（以下、押圧力と称する）が加えられる。しかしながら、積層工程において、この押圧力が緩むことがある。この場合、膜−電極接合体が膨張することにより、セパレータの位置がずれるおそれがある。その結果、シール不良が生じるおそれがある。特許文献１に係る燃料電池スタックでは、セパレータの位置ずれに伴うシール不良を抑制することはできるものの、燃料電池スタックが保持ピンを備えることから燃料電池スタックの部品点数が増加するとともに、燃料電池スタックが重量化する。
【０００６】
本発明は、部品点数の増加および重量化を抑制しつつシール不良の発生を抑制することができる燃料電池スタック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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、外周にシール部材が配置された膜−電極接合体の両面に一対のセパレータを配置するセル化工程と、セル化工程で製造された燃料電池を複数積層する積層工程と、積層された複数の燃料電池を締結部材で締結するスタック化工程と、少なくともセル化工程からスタック化工程の終了までの間に、一対のセパレータ同士の位置決めを行う位置決め部材を挿入する工程と、を含み、位置決め部材は、シール部材もしくはスタック化工程後に除去可能な部材であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法によれば、セル化工程からスタック化工程の終了までの間に位置決め部材によって一対のセパレータ同士の位置決めが行われる。それにより、セル化工程後に燃料電池に対する外部からの押圧力が緩んだ場合であっても、セパレータの位置ずれが抑制される。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。また、位置決め部材はシール部材もしくはスタック化工程後に除去可能な部材であることから、燃料電池スタックの部品点数の増加および重量化は抑制される。
【０００９】
上記方法において、一対のセパレータは、位置決め部材が配置される凹部を有していてもよい。上記方法において、凹部は、開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積に比較して小さくてもよい。上記方法において、凹部は、一対のセパレータの距離が増大する場合に位置決め部材から抗力を受ける壁面を有していてもよい。この方法によれば、一対のセパレータとシール部材との剥離が抑制される。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。
【００１０】
上記方法は、スタック化工程後に位置決め部材を除去する除去工程をさらに含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、部品点数の増加および重量化を抑制しつつシール不良の発生を抑制することができる燃料電池スタックの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池スタックの製造方法において、セル化工程を示す模式的断面図である。図１（ｂ）は、膜−電極接合体の模式的断面図である。図１（ｃ）は、積層工程を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、スタック化工程を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池の模式的断面図である。図３（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、実施例１に係る凹部の変形例を示す模式的断面図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例２に係る燃料電池スタックの製造方法において、スタック化工程の締結工程後の積層体を示す模式的断面図である。図５（ｂ）は、除去工程を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１に係る燃料電池スタック３００の製造方法について説明する。燃料電池スタック３００は、セル化工程と、積層工程と、スタック化工程と、を含む工程によって製造される。図１（ａ）は、セル化工程を示す模式的断面図である。セル化工程は、燃料電池１００を製造する工程である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、膜−電極接合体１０の外周に配置されたシール部材２０と、膜−電極接合体１０およびシール部材２０を挟持するように配置された一対のセパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０）と、を有する。
【００１５】
図１（ｂ）は、膜−電極接合体１０の模式的断面図である。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、ガス拡散層（アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５）と、を備える。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
【００１６】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。
【００１７】
アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１とは反対側の面に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１１とは反対側の面に配置されている。アノードガス拡散層１４は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層１５は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
【００１８】
図１（ａ）を参照して、シール部材２０は、膜−電極接合体１０からのガス漏洩を抑制できるシール材であれば特に限定されない。本実施例においては、シール部材２０は、液状または半固体状の状態から硬化するシール材料を用いる。シール部材２０は、膜−電極接合体１０の外周にアノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０によって挟持されるようにして配置されている。また、シール部材２０は、後述するアノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の凹部５０にも配置されている。
【００１９】
アノードセパレータ３０は、膜−電極接合体１０のアノード側に配置されている。カソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０のカソード側に配置されている。本実施例においては、アノードセパレータ３０の膜−電極接合体１０側の面には、アノードガス流路３１が形成されている。カソードセパレータ４０の膜−電極接合体１０側の面には、カソードガス流路４１が形成されている。アノードガス流路３１およびカソードガス流路４１は、例えば、セパレータの表面に形成された溝流路である。
【００２０】
アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、シール部材２０が配置される凹部５０を有している。凹部５０は、膜−電極接合体１０側の面に開口部を有している。本実施例においては、シール部材２０は、この開口部から凹部５０に注入される。なお、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の材質としては、例えば金属等の導電性材料が用いられる。
【００２１】
凹部５０は、開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積より小さい形状を有している。本実施例において、凹部５０は、膜−電極接合体１０側の開口部を頂面とし、膜−電極接合体１０から遠い側を頂面より大径の底面とし、頂面から底面にかけて拡径する側面を有する台形角錐形状を有している。この場合、開口部（頂面）の面積は底面の面積より小さくなっている。
【００２２】
また、凹部５０は、壁面５１を有している。壁面５１は、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ４０との間の距離が増大するようにアノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０が移動しようとした場合にシール部材２０から抗力を受ける壁面である。本実施例において、壁面５１は、台形角錐の側面である。
【００２３】
本実施例において、セル化工程は、外周にシール部材２０が配置された膜−電極接合体１０の両面に一対のセパレータを配置する工程と、一対のセパレータを治具５００でプレス加工する工程と、を含んでいる。一対のセパレータは、プレス加工されることによって膜−電極接合体１０およびシール部材２０に接合される。また、シール部材２０は、プレス加工されることによって凹部５０に注入される。すなわち、セル化工程は、シール部材２０を凹部５０に配置する配置工程を含んでいる。なおプレス加工は、シール部材２０が硬化するまで行われる。シール部材２０が硬化した場合、治具５００は燃料電池１００から除去される。
【００２４】
図１（ｃ）は、積層工程を示す模式的断面図である。積層工程は、セル化工程で製造された燃料電池１００を複数積層して積層体２００を製造する工程である。具体的には、燃料電池１００のアノードセパレータ３０上に隣接する他の燃料電池１００のカソードセパレータ４０が配置されるように、複数の燃料電池１００が順次積層される。それにより、積層体２００が製造される。
【００２５】
図２は、スタック化工程を示す模式的断面図である。スタック化工程は、燃料電池スタック３００を製造する工程である。具体的には、スタック化工程は、積層体の積層方向の端部に、集電体（集電体３１０および集電体３１１）、インシュレータ（インシュレータ３２０およびインシュレータ３２１）およびエンドプレート（エンドプレート３３０およびエンドプレート３３１）を順次積層する積層化工程と、これらの部材を締結部材３４０で締結する締結工程と、を含んでいる。
【００２６】
集電体３１０は、積層体２００のアノード側の端部に配置されている。集電体３１１は、積層体２００のカソード側の端部に配置されている。集電体３１０および集電体３１１は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。集電体３１０および集電体３１１は、各燃料電池１００の発電によって生じた電力を集電して、外部に取り出すための部材である。
【００２７】
インシュレータ３２０は、集電体３１０の積層体２００とは反対側に配置されている。インシュレータ３２１は、集電体３１１の積層体２００とは反対側に配置されている。インシュレータ３２０およびインシュレータ３２１は、集電体とエンドプレートとを電気的に絶縁させるための絶縁部材である。
【００２８】
エンドプレート３３０は、インシュレータ３２０の集電体３１０とは反対側に配置されている。エンドプレート３３１は、インシュレータ３２１の集電体３１１とは反対側に配置されている。締結部材３４０は、例えばボルト等を用いることができる。締結部材３４０によって締結されることによって、エンドプレート３３０，３３１は、積層体２００、集電体３１０，３１１、およびインシュレータ３２０，３２１に対して積層方向の押圧力を与える。
【００２９】
燃料電池スタック３００は、発電時に以下のように作動する。まず、各燃料電池１００のアノードガス流路３１にアノードガスが供給され、カソードガス流路４１にカソードガスが供給される。アノードガス流路３１を流動するアノードガスは、アノードガス拡散層１４を拡散してアノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、集電体３１０によって集電されて燃料電池スタック３００の外部に取り出される。燃料電池スタック３００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、集電体３１１に到達する。
【００３０】
カソードガス流路４１を流動するカソードガスは、カソードガス拡散層１５を拡散してカソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと集電体３１１から伝導した電子とによって水が生成される。生成された水は、主としてカソードガス流路４１を流動して燃料電池スタック３００の外部に排出される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路３１およびカソードガス流路４１を流動して、燃料電池スタック３００の外部に排出される。以上のように、燃料電池スタック３００は発電時に作動する。
【００３１】
続いて、本実施例の効果について説明する。図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池４００の模式的断面図である。燃料電池４００のセパレータは、凹部５０に相当する部分を有していない。燃料電池４００において、例えばスタック化工程で治具５００から印加されていた押圧力が緩んだ場合、膜−電極接合体１０が膨張変形するおそれがある。膜−電極接合体１０が膨張変形した場合、燃料電池４００は図３（ａ）のように変形する。具体的には、硬化したシール部材２０の変形量と膜−電極接合体１０の変形量とが異なることから、燃料電池４００は中心部の厚みが外周部の厚みより大きくなるように変形する。この場合、セパレータの位置がずれるおそれがある。その結果、セパレータとシール部材２０とが剥離して、シール不良が生じるおそれがある。
【００３２】
これに対して、本実施例に係る燃料電池スタック３００の製造方法によれば、図３（ｂ）に示すように、シール部材２０は、一対のセパレータの位置決め部材としての機能を有している。この場合、セル化工程後に燃料電池１００に対する外部からの押圧力が緩んだ場合であっても、セパレータの位置ずれを抑制することができる。その結果、シール不良の発生を抑制することができる。また、位置決め部材はシール部材２０であることから、燃料電池スタック３００の部品点数の増加は生じない。また、保持ピン等のような部材を新たに設ける必要がないことから、燃料電池スタック３００の重量化が抑制される。さらに、シール部材２０は燃料電池スタック３００の製造後においても凹部５０に係合し続けることから、燃料電池スタック３００の製造後においてもセパレータの位置ずれを抑制することができる。
【００３３】
また、凹部５０の開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積より小さいことから、一対のセパレータ間の距離が増大するように燃料電池１００が変形しようとした場合、凹部５０に配置されたシール部材２０が開口部に引っかかる。それにより、セパレータとシール部材２０との剥離が抑制されることから、シール不良の発生を抑制することができる。
【００３４】
また、凹部５０は壁面５１を有していることから、凹部５０に配置されたシール部材２０が壁面５１に抗力を与えることによって、セパレータとシール部材２０との剥離が抑制される。その結果、シール不良を抑制することができる。
【００３５】
なお、本実施例において、セル化工程がシール部材２０を凹部５０に配置する配置工程（すなわち、位置決め部材を挿入する工程）を含んでいるが、これに限られない。シール部材２０を凹部５０に配置する配置工程は、セル化工程からスタック化工程の終了までの間に行われればよい。
【００３６】
また、セパレータの枚数は２枚以上であってもよい。例えば、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０をさらに挟持するようにセパレータが配置されていてもよい。
【００３７】
（変形例１）
なお、凹部５０の形状は、実施例１の形状に限られない。図４（ａ）〜図４（ｄ）は、凹部５０の変形例を示す模式的断面図である。例えば、図４（ａ）に示すように、凹部５０は、円弧状の断面形状を有していてもよい。この場合においても、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部（例えば円弧の中心点を含む面）の面積より小さい。また、凹部５０は、壁面５１（円弧の中心より膜−電極接合体１０側の壁面）を有している。
【００３８】
また、図４（ｂ）に示すように、凹部５０の断面形状は、膜−電極接合体１０側から順に小径部と大径部とが連接した形状であってもよい。この場合においても、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部（大径部の内径部分）の面積より小さい。また、凹部５０は、壁面５１（大径部の段差部分の壁面）を有している。
【００３９】
また、図４（ｃ）に示すように、凹部５０の断面形状は、平行四辺形であってもよい。この場合、セパレータの膜−電極接合体１０側の面との成す角度が９０度より小さい壁面が、壁面５１である。
【００４０】
また、図４（ｄ）に示すように、凹部５０の断面形状は、星型であってもよい。この場合、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部（例えば、開口部に並行な面であって、開口部側に最も近い頂点を外周縁に含む面）の面積より小さい。また、セパレータの膜−電極接合体１０側の面との成す角度が９０度より小さい壁面が、壁面５１である。あるいは、凹部５０は、図４（ａ）〜図４（ｄ）の他、クサビ型等、種々の断面形状を有していてもよい。
【実施例２】
【００４１】
続いて、実施例２に係る燃料電池スタック３００ａの製造方法について説明する。燃料電池スタック３００ａの製造方法は、セル化工程で燃料電池１００ａが製造される点と、スタック化工程の締結工程後に位置決め部材を除去する除去工程を備える点と、において実施例１に係る燃料電池スタック３００の製造方法と異なる。
【００４２】
図５（ａ）は、スタック化工程の締結工程後の積層体２００ａを示す模式的断面図である。燃料電池１００ａは、凹部５０にシール部材２０が配置される代わりに、棒状部材６０が配置されている。棒状部材６０は、一対のセパレータの位置決め部材として機能する。棒状部材６０は、セル化工程において、凹部５０に挿入配置される。
【００４３】
図５（ｂ）は、除去工程を示す模式的断面図である。除去工程において棒状部材６０は、凹部５０から引き抜かれることによって、除去される。それにより、燃料電池スタック３００ａが製造される。すなわち、棒状部材６０は、スタック化工程後に除去可能な部材である。
【００４４】
本実施例に係る燃料電池スタック３００ａの製造方法においても、棒状部材６０によってセパレータの位置ずれを抑制することができる。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。また、棒状部材６０は除去工程において除去されることから、燃料電池スタック３００ａの部品点数の増加は生じない。また、燃料電池スタック３００ａの重量化が抑制される。なお、除去工程は締結工程後に行われることから、棒状部材６０が除去された後は、締結部材３４０によってセパレータの位置ずれが抑制される。
【００４５】
なお、棒状部材６０は、凹部５０への挿入配置および除去を繰り返し行える耐久性を有していることが好ましい。この場合、棒状部材６０を再利用することができる。それにより、燃料電池スタック３００ａの製造コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１４  アノードガス拡散層
１５  カソードガス拡散層
２０  シール部材
３０  アノードセパレータ
４０  カソードセパレータ
５０  凹部
５１  壁面
６０  棒状部材
１００  燃料電池
２００  積層体
３００  燃料電池スタック
３１０，３１１  集電体
３２０，３２１  インシュレータ
３３０，３３１  エンドプレート
３４０  締結部材
４００  燃料電池
５００  治具
【図１】
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【図２】
2010232127.tif 000004
【図３】
2010232127.tif 000005
【図４】
2010232127.tif 000006
【図５】
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