(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を、多孔質カーボン部材の前記電解質に対向する面に電極触媒層を設けて構成される一対の電極で挟持した電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設されるとともに、前記一組のエンドプレート間に所定の圧縮荷重が付与された燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記多孔質カーボン部材に前記圧縮荷重以上の荷重を付与することにより、前記多孔質カーボン部材に圧縮処理を施す工程と、
前記多孔質カーボン部材から前記荷重を除去した際、該荷重の付与前後における該多孔質カーボン部材の厚さ変動量が５μｍ以内に至るまで、上記の工程を繰り返す工程と、
前記多孔質カーボン部材の厚さ変動量が前記５μｍ以内に至った際、該多孔質カーボン部材を用いて前記燃料電池スタックを組み立てる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された燃料電池スタックの組み立て方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。そ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として利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与する必要がある。そこで、例えば、特開昭５８−９３１７３号公報に開示されている燃料電池積層体締め付け構造が採用されている。
【０００５】
この従来技術では、図８に示すように、燃料電池積層体１が一組のエンドプレート２に挟持され、このエンドプレート２が、締め付けボルト４の締め付け作用下に締め付け板５により予め仮締めされている。燃料電池積層体１は、積層方向を鉛直方向に向けて一方の締め付け板５が圧力容器底架台６に載せられ、加圧板７が他方の締め付け板５に配置されて圧力容器８が装着されている。
【０００６】
燃料電池積層体１には、アクチュエータ９を介して加圧板７から圧力が付与されるとともに、前記燃料電池積層体１の高さ減少が圧力容器８の外部に設けられたダイヤルゲージＧにより検出されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、アクチュエータ９の作用下に加圧板７を介して燃料電池積層体１に所定の締め付け荷重を付与し、締め付けボルト４を締め付けて燃料電池スタックを組み立てた後に、前記燃料電池積層体１を構成するアノード側電極およびカソード側電極の厚さが、前記締め付け荷重によって変化し易い。
【０００８】
この場合、アノード側電極およびカソード側電極は、通常、電解質に対向する面に電極触媒層を設けて構成される多孔質カーボン部材を備えている。この種の多孔質カーボン部材では、面圧強度（圧縮後の復元性および曲げに対する柔軟性等）が十分に確保されていない。
【０００９】
このため、燃料電池積層体１に締め付け荷重が付与されると、多孔質カーボン部材に過度な面圧が作用して前記多孔質カーボン部材に圧縮変形が惹起され易くなり、締め付け荷重の調整等が必要となって、作業全体が相当に煩雑化してしまう。また、締め付け荷重の調整を行うための調整機構が必要になり、燃料電池スタックの重量や体積が増加するとともに、燃料電池スタックの構造の複雑化を招来している。
【００１０】
一方、多孔質カーボン部材の圧縮変形量を抑えようとすると、締め付け荷重を増加させることができなくなってしまう。
【００１１】
従って、一般的には、燃料電池積層体１全体の寸法が安定するまで、比較的長時間にわたって前記燃料電池積層体１を加圧した状態で放置する必要がある。これにより、燃料電池スタックの組み立て時間が相当に長時間となってしまい、生産性が著しく低下するという問題が指摘されている。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体を短時間で所望の締め付け荷重に確実に保持することが可能な燃料電池スタックの組み立て方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、多孔質カーボン部材に、燃料電池スタックに付与される圧縮荷重以上の荷重を付与することにより、前記多孔質カーボン部材に圧縮処理が施される。次いで、多孔質カーボン部材から荷重を除去した際に、該荷重の付与前後における前記多孔質カーボン部材の厚さ変動量が５μｍ以内に至るまで、上記の工程が繰り返される。そして、多孔質カーボン部材の厚さ変動量が５μｍ以内に至った際、前記多孔質カーボン部材を用いて燃料電池スタックの組み立て作業が行われる。
【００１５】
このため、多孔質カーボン部材は、簡単な作業で面圧強度が大幅に向上し、燃料電池スタック全体に付与される圧縮荷重によって圧縮変形が惹起されることがない。従って、短時間でかつ確実に、燃料電池スタックに所望の締め付け荷重を付与することができるとともに、運転時に多孔質カーボン部材の厚さが変動して接触抵抗が増大することがなく、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００１６】
しかも、多孔質カーボン部材は、予め圧縮処理が施されているため、締め付け後に前記多孔質カーボン部材の圧縮変形量が大幅に減少する。これにより、燃料電池スタックに締め付け荷重を付与する締め付け荷重調整機構（例えば、皿ばね等）が簡素化され、あるいは不要になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視説明図である。
【００２２】
燃料電池スタック１０は、電解質膜・電極接合体１２が、例えば、金属板材で形成された第１および第２セパレータ１４、１６を介装して複数積層される積層体１８を備える。図１に示すように、積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、正極側集電体２０ａおよび負極側集電体２０ｂとエンドプレート２２ａ、２２ｂとが絶縁プレート２４ａ、２４ｂを介装して配設される。エンドプレート２２ａ、２２ｂ間には、複数本のタイロッド２５を介して所定の締め付け荷重が付与されている。
【００２３】
図２に示すように、電解質膜・電極接合体１２と第１および第２セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２６が介装されている。
【００２４】
電解質膜・電極接合体１２と第１および第２セパレータ１４、１６の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極接合体１２と第１および第２セパレータ１４、１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極接合体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２７】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図３に示すように、多孔質カーボン部材、例えば、カーボンペーパー等からなるガス拡散層４２ａ、４２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２８】
ガス拡散層（多孔質カーボン部材）４２ａ、４２ｂとしては、例えば、東レ株式会社製のＴＧＰ−Ｈが使用されており、密度が０．３５ｇ／ｃｍ2〜０．６５ｇ／ｃｍ2で、気体透過度が２０ｍｍＡｇ／ｍｍ〜３０ｍｍＡｇ／ｍｍである。このガス拡散層４２ａ、４２ｂには、後述するように、予め所定のプレス荷重が付与されている。
【００２９】
シール部材２６の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２６に代替して、第１および第２セパレータ１４、１６にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００３０】
図２および図３に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極接合体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００３１】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。なお、第１セパレータ１４の面１４ａとは反対の面には、同様に冷却媒体流路５０が形成される（図３参照）。
【００３２】
図１に示すように、エンドプレート２２ａの長辺側（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体排出連通孔３２ｂおよび燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する酸化剤ガス供給口５２ａ、冷却媒体排出口５４ｂおよび燃料ガス排出口５６ｂが設けられる。エンドプレート２２ａの長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３２ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する燃料ガス供給口５６ａ、冷却媒体供給口５４ａおよび酸化剤ガス排出口５２ｂが設けられる。
【００３３】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本実施形態に係る組み立て方法との関連で、以下に説明する。
【００３４】
まず、図４に示すように、プレス機６０を介してガス拡散層４２ａ、４２ｂに予め荷重の付与が行われる。このプレス機６０は、下型６２と上型６４とを備えており、この下型６２のプレス面６２ａにガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）が載置された状態で、前記上型６４が下降する。このため、プレス面６２ａ上のガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）は、上型６４と下型６２を介して所定のプレス荷重が付与される（図５中、ステップＳ１）。
【００３５】
このプレス荷重は、燃料電池スタック１０が発電時に付与される面圧以上の面圧を付与するために、前記燃料電池スタック１０に付与される圧縮荷重より５％以上高い荷重に設定されることが好ましい。より好適には、１０％以上高い荷重に設定されるとよい。具体的には、プレス機６０によりガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）に対して６ＭＰａのプレス荷重が付与されている。
【００３６】
次いで、プレス機６０を構成する上型６４が上昇して、ガス拡散層４２ａ（
または４２ｂ）からプレス荷重が除去された際、前記プレス荷重の付与前後における前記ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の厚さ変動量が検出される（ステップＳ２）。この場合、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）のプレス荷重付与時の厚さからプレス荷重除去時の厚さ変動量が所定の範囲内に至っていない際には（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻ってプレス機６０によるプレス荷重付与作業が再度行われる。
【００３７】
一方、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の厚さ変動量が、所定の範囲内であれば（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、燃料電池スタック１０の組み立て作業が行われる。さらに、タイロッド２５を介して、燃料電池スタック１０には積層方向に所定の圧縮荷重が付与され（ステップＳ５）、前記燃料電池スタック１０の組み立て作業が終了する。
【００３８】
ここで、プレス荷重を６ＭＰａとし、厚さ変動量の許容範囲を５μｍに設定したところ、図６に示す結果が得られた。すなわち、プレス機６０を介してプレス荷重を１回付与した際には、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の変動量が５μｍを超えていた。そこで、このガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）に２回以上のプレス荷重を付与したところ、変動量が５μｍ以内となった。従って、プレス荷重の付与を２回以上行うことにより、所望のガス拡散層４２ａ、４２ｂが得られた。なお、厚さ変動量の許容範囲は、ガス拡散層４２ａ（または４２ｂ）の材質、発電時に付与される面圧または測定器の精度等によって、所定の値に設定すればよい。
【００３９】
一方、プレス荷重を付与しないガス拡散層４２ａ、４２ｂを用いて燃料電池スタック１０を組み立てると、このガス拡散層４２ａ、４２ｂの厚さ変動量が３０μｍ以上であるため、前記燃料電池スタック１０の組み立て作業が相当に煩雑なものとなった。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、予めガス拡散層４２ａ、４２ｂにプレス荷重を付与しており、図７に示すように、プレス荷重の付与回数が増加することによって、前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂに所定の変動量を与えるための面圧（プレス面圧）が大幅に向上している。
【００４１】
このため、ガス拡散層４２ａ、４２ｂは、燃料電池スタック１０の圧縮荷重に対する厚さ変動量が所定の範囲内に維持されるため、前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂを用いて前記燃料電池スタック１０を組み立てる際に、圧縮荷重による積層方向への変形を可及的に阻止することができる。
【００４２】
これにより、簡単な工程で、ガス拡散層４２ａ、４２ｂの面圧強度を向上させることが可能になり、燃料電池スタック１０に所望の締め付け荷重を短時間で確実に付与することができる。従って、燃料電池スタック１０の組み立て作業が効率的かつ高精度に遂行可能になるという効果が得られる。
【００４３】
さらに、上記ように組み立てられた燃料電池スタック１０では、締め付け荷重を付与した状態でガス拡散層４２ａ、４２ｂに圧縮変形が惹起されることがない。このため、短時間でかつ確実に、燃料電池スタック１０に所望の締め付け荷重を付与するとともに、運転時に前記燃料電池スタック１０内の接触抵抗が小さくなり、内部抵抗を小さくすることができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００４４】
さらにまた、ガス拡散層４２ａ、４２ｂは、予めプレス荷重が付与されて面圧強度が有効に向上している。これにより、ガス拡散層４２ａ、４２ｂを使用することによって、燃料電池スタック１０を迅速かつ高精度に組み立てることができ、組み立て作業全体の簡素化が容易に図られるという利点がある。
【００４５】
ところで、燃料電池スタック１０を運転するに際しては、図１および図２に示すように、燃料ガス供給口５６ａから燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口５２ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口５４ａから冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４６】
このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極接合体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極接合体１２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００４７】
従って、各電解質膜・電極接合体１２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４８】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４９】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックの組み立て方法では、燃料電池スタックの組み立て前に、予め多孔質カーボン部材に圧縮処理が施されており、前記カーボン部材の厚さ変動量が５μｍ以内に至った際に、該カーボン部材を用いて前記燃料電池スタックの組み立て作業が行われる。これにより、簡単な工程で、多孔質カーボン部材の面圧強度を向上させることが可能になるとともに、燃料電池スタックの組み立て作業が効率的かつ高精度に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成するガス拡散層にプレス荷重を付与するプレス機の使用説明図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックの組み立て方法を説明するフロチャートである。
【図６】前記ガス拡散層に対するプレス荷重の有無および付与回数と厚さ変動量との関係説明図である。
【図７】前記ガス拡散層に所定の変動量を与えるためのプレス荷重の有無および付与回数との関係説明図である。
【図８】従来技術に係る燃料電池積層体締め付け構造の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック        １２…電解質膜・電極接合体
１４、１６…セパレータ        １８…積層体
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔  ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔    ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔    ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜      ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極          ４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層
４４ａ、４４ｂ…電極触媒層    ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路            ５０…冷却媒体流路
６０…プレス機                ６２…下型
６４…上型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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