(57)【要約】【課題】接触抵抗の小さいセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１の隣接する単位セル２のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを燃料電池スタック１を構成する前にアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを研磨材を介在して摺動することで、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの当接面を研磨して、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの接触抵抗を小さくする。【選択図】        図１
2006147341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するガス拡散層と、
アノードの前記ガス拡散層に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノードセパレータと、
カソードの前記ガス拡散層に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソードセパレータからなる単位セルを積層して構成する燃料電池スタックのセパレータ製造方法において、
前記単位セル間で隣接する前記カソードセパレータと前記アノードセパレータの互いの接触面を研磨材を介在して当接し、
前記カソードセパレータと前記アノードセパレータを当接した状態で摺動することにより前記カソードセパレータと前記アノードセパレータの当接面を研磨することを特徴とする燃料電池スタックのセパレータ製造方法。
【請求項２】
前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを研磨する研磨量は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを合わせた寸法に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセパレータ製造方法。
【請求項３】
前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを研磨する研磨量は、前記電解質膜と前記ガス拡散層と前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを合わせた寸法に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのセパレータ製造方法。
【請求項４】
前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを研磨する場合に、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータにかかる圧力は、前記単位セルを積層し、スタッキングした場合の圧力と略同一であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタックのセパレータ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特にセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）用セパレータとしては一般的に、一方の面にガス流路を有し他方の面に冷却水流路を有する一対の導電性プレートの冷却流路面同士を合わせ、その間に冷却水を流す構造が特許文献１に開示されている。
【０００３】
燃料電池は両面にガス拡散層を設けた電極-電解質膜接合体をセパレータで挟持して構成される単位セルを積層することで構成される。電極-電解質膜接合体のアノード極で生じた電子はガス拡散層を通過して、セパレーターを介して隣接する単位セルに達する。
【０００４】
このとき、電子が流れる経路の電気抵抗がそのまま燃料電池の損失となり、その中でも特に部材同士が接触する面の接触抵抗が大きい。このため、一般的にはこの接触面積を可能な限り大きくする事によって電気抵抗の低減を図っている。
【特許文献１】特開２００４−２０７０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セパレータの両面はガス側、冷却水側とも流路溝とリブが交互に繰り返される凹凸形状となっており、リブの上面で相手部材と接触する構造となっているが、セパレータを構成するプレート上のリブの高さは完全に均一とする事は出来ず、製造バラツキによって僅かながら互いに段差を生じる。
【０００６】
ガス側においては相手部材が比較的弾性の高いガス拡散層であるため、燃料電池の完成状態で積層方向にかかる荷重によってこのガス拡散層が圧縮されてリブの高さバラツキを吸収し、全てのリブがガス拡散層に接する。
【０００７】
これに対して、冷却水側では圧縮に対して比較的剛性の高いプレート同士が直接接触する。このため、双方のプレート上の比較的高いリブ同士が接触すると、その近傍の低いリブ同士は互いに接触しないという問題が生じる。また、接触しているリブ同士もその表面には微小な凹凸があるため、実際に接触する面積は幾何学的な計算上の接触面積よりも大幅に少なくなり、接触抵抗を低減する事が難しいといった問題点がある。
【０００８】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、セパレータ間の接触抵抗を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するガス拡散層と、アノードのガス拡散層に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノードセパレータと、カソードのガス拡散層に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソードセパレータからなる単位セルを積層して構成する燃料電池スタックのセパレータ製造方法において、単位セル間で隣接するカソードセパレータとアノードセパレータの互いの接触面を研磨材を介在して当接し、カソードセパレータとアノードセパレータを当接した状態で摺動することによりカソードセパレータとアノードセパレータの当接面を研磨する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、単位セルを積層した時に隣接するアノードセパレータとカソードセパレータの当接面の接触抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態の燃料電池スタック１の一部を図１の概略図を用いて説明する。燃料電池スタック１は単位セル２を積層し、図示しないエンドプレートによって両側から加圧して構成する。
【００１２】
単位セル２は電解質膜３と、電解質膜３を挟持するアノード触媒層４ａ、カソード触媒層４ｂと、アノード触媒層４ａ、カソード触媒層４ｂの外側にアノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂを備える。さらにアノードガス拡散層５ａの外側にアノードガス拡散層５ａに水素を供給する水素流路７を有するアノードセパレータ６ａを備え、カソードガス拡散層５ｂの外側にカソードガス拡散層５ｂに空気を供給する空気流路８を有するカソードセパレータ６ｂを備える。なお、アノードガス拡散層５ａとカソードガス拡散層５ｂは例えばカーボンペーパを用いる。
【００１３】
アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂは水素流路７または空気流路８を設けた面の背面に単位セル２を冷却する冷却水が流れる冷却水流路９または冷却水流路１０を設ける。
【００１４】
燃料電池スタック１は単位セル２を積層して構成されるが、隣接する単位セル２は一つの単位セル２のアノードセパレータ６ａの冷却水流路９を構成するリブ９ａと、もう一方の単位セル２のカソードセパレータ６ｂの冷却水流路１０を構成するリブ１０ａが接することで電気的に接続する。なお、燃料電池スタック１では、ある単位セル２のアノードセパレータ６ａの冷却水流路９と、隣接する単位セル２のカソードセパレータ６ｂの冷却水流路１０によって１つの冷却水流路を構成する。また、冷却水流路９、１０はアノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂのどちらか一方に設けても良い。
【００１５】
隣接する単位セル２間で対峙し、接触するアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂのリブ９ａとリブ１０ａは後述する研磨方法によってリブ９ａとリブ１０ａの表面が研磨される。研磨によりアノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂのそれぞれ全体で高さが均一となるためリブ９ａとリブ１０ａの接触面積が広くなっており、リブ９ａとリブ１０ａ間、つまりアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂ間の接触抵抗が小さくなる。
【００１６】
次にリブ９ａとリブ１０ａの研磨方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００１７】
ステップＳ１００では、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂのリブ９ａとリブ１０ａ間に研磨材を塗布する。なお、このアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂは単位セル２を積層した場合に隣接するアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂである。つまり、ステップＳ１００では燃料電池スタック１の隣接する単位セル２のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを一対にし、水素流路７と空気流路８を設けていない面に研磨材を塗布し、当接する。なお、研磨材を塗布せずにアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂ間に注入し、充満させても良い。
【００１８】
ステップＳ１０１では、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを擦動し、リブ９ａとリブ１０ａを研磨する。これによって製造時におけるアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの寸法ばらつき（公差）によるリブ９ａとリブ１０ａの高さが不均一になっている箇所を研磨し、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの全体でリブ９ａとリブ１０ａの高さを均一にすることができる。例えば寸法ばらつきにより設計時の寸法よりもリブ９ａまたはリブ１０ａが低く、対峙するリブ１０ａまたはリブ９ａが寸法通り、または低く製造されている場合に、単位セル２を積層し燃料電池スタック１を組み立てるとリブ９ａとリブ１０ａが接触しない恐れがあるが、リブ９ａとリブ１０ａに研磨材を塗布し、リブ９ａとリブ１０ａを研磨することで、リブ９ａとリブ１０ａの高さを均一にし、リブ９ａとリブ１０ａを確実に接触させることができる。また、リブ９ａとリブ１０ａの表面の微小な凹凸を研磨することができる。
【００１９】
ステップＳ１０１でアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを研磨するためにアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂにかかる圧力は、単位セル２を積層しスタッキングする際の圧力と同じ圧力とすることが望ましい。これは研磨時の荷重によるアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの変形状態を燃料電池スタック１の状態と同じにするためである。燃料電池スタック１は各部材間の接触抵抗を低減するために圧縮されるが、この時の圧力によってアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂは多少変形する。そのため研磨時の圧力を燃料電池スタック１のスタッキングの際の圧力と等しくすることで、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが燃料電池スタック１に近い状態として研磨し、リブ９ａとリブ１０ａの高さを調整し、燃料電池スタック１にスタッキングする場合にリブ９ａとリブ１０ａの接触面積を広くし、接触抵抗を小さくすることができる。
【００２０】
また、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの研磨量については、リブ９ａ、１０ａの寸法ばらつきと、リブ９ａ、１０ａの表面の凹凸、つまり平面度の合計以上とする。これによって、リブ９ａ、１０ａを均一の高さ、または平面度とすることができる。さらに、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを組み合わせた状態の寸法が、設計時の各寸法を合わせた範囲となるように研磨する。つまり、設計時のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの寸法を合わせた設計時の寸法に寸法ばらつきを持たせる。研磨する前にはアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂはそれぞれ寸法ばらつきを持っており、その２つを組み合わせると、寸法ばらつきは２倍となる。ここではアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを組み合わせた状態で研磨し、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを組み合わせた状態の寸法ばらつきを決めるので、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを組み合わせた場合の寸法ばらつきを小さくすることができる。一般的には寸法は製造時の精度よりも研磨による精度の方が良いために、研磨によりアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの精度をよくすることができる。
【００２１】
なお、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂで挟持する電解質膜３などの寸法を測定し、それらの寸法とアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの寸法の合計に寸法ばらつきを持たせ、その寸法となるようにアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを研磨しても良い。これによって燃料電池スタック１のスタッキングの際に燃料電池スタック１の寸法ばらつきを更に小さくすることができる。
【００２２】
ステップＳ１０２では、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを分解して研磨材を洗い流す。
【００２３】
以上の方法によってアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂのリブ９ａとリブ１０ａの高さを等しくし、接触面積を大きくし、接触抵抗を小さくすることができる。
【００２４】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【００２５】
まず、本発明を用いない場合の隣り合う単位セル２のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの関係を図３に示す。図３は隣り合う単位セル２のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂの概略図であり、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂ以外の構成については省略する。
【００２６】
製造されたアノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂは製造時の寸法ばらつき、または表面の凹凸によってリブ９ａ、１０ａの高さにばらつきが生じており、高さは均一ではない。水素流路７と空気流路８を構成するリブ７ａ、８ａについては対峙するアノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂが比較的に弾性の高い部材であるために燃料電池スタック２をスタッキングした場合には、アノードガス拡散層５ａ、カソードガス拡散層５ｂが圧縮されてリブ７ａ、８ａのばらつきは吸収される。
【００２７】
一方、冷却水流路を構成するリブ９ａ、１０ａは剛性が高いために、ばらつきを吸収することができずに、高さが低いリブに関しては図３に示すようにリブ９ａとリブ１０ａ間に隙間ｄが生じる。リブ９ａとリブ１０ａの間に隙間ｄが生じると単位セル２間の接触抵抗が大きくなり、燃料電池スタック２の発電効率が低下する。
【００２８】
本発明の実施形態では、製造したアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを１つの組としてリブ９ａとリブ１０ａの間に研磨材を塗布して擦動することで、単位セル２を積層した場合に隣接するリブ９ａとリブ１０ａの高さを予め調整し、均一の高さとなるようにする。これによって単位セル２を積層した場合に隣接するリブ９ａとリブ１０ａが確実に接触することになり、リブ９ａとリブ１０ａ間の接触抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
対として一旦組み立てたアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂのリブ９ａと１０ａを研磨し、その対が隣接するように単位セル２を積層し、スタッキングするので、隣接する単位セル２間のリブ９ａとリブ１０ａが確実に接触し、単位セル２間の接触抵抗を小さくすることができる。
【００３０】
また、単位セル２の電解質膜３などの部材にも寸法ばらつきが存在するが、単位セル２を積層する場合にはこれらの寸法ばらつきが積み重なり、燃料電池スタック１の全長に大きな寸法ばらつきが発生する。そのため燃料電池スタック１の寸法ばらつきを吸収するための寸法調整機構を備えるが、例えば、各部材が±１０μｍのばらつきを持っており、単位セル２を１００枚積層するとすると、単位セル２は１枚の電解質膜３と、２枚のガス拡散層（アノードガス拡散層５ａとカソードガス拡散５ｂ）と、２枚のセパレータ（アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂ）から構成されるので、燃料電池スタック１には１０ｍｍの寸法ばらつきが生じる可能性があるため寸法調整機構は１０ｍｍを調整可能でなければならない。
【００３１】
一方、本発明の実施形態では、研磨による精度が±１０μｍであるとすると、２ｍｍを調整可能であれば良い。そのため寸法調整機構を小さく、すなわち燃料電池スタック１を小型にすることができる。
【００３２】
リブ９ａとリブ１０ａを研磨する場合に、燃料電池スタック１をスタッキングする場合の圧力と同じ圧力をかけて研磨することで、燃料電池スタック１をスタッキングした場合のリブ９ａとリブ１０ａ間の接触抵抗を小さくすることができる。
【００３３】
研磨したアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂを燃料電池スタック１の隣接する単位セル２に用い、リブ９ａとリブ１０ａによって当接することで、単位セル２間を電気的に接続するリブ９ａとリブ１０ａの接触面積を広くし、接触抵抗をより小さくすることができる。
【００３４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
単位セルを積層する燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の燃料電池スタックを示す概略図である。
【図２】本発明のアノードセパレータとカソードセパレータを研磨する研磨方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明を用いない場合のアノードセパレータとカソードセパレータを示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１      燃料電池スタック
２      単位セル
３      電解質膜
６ａ    アノードセパレータ
６ｂ    カソードセパレータ
７      水素流路
８      空気流路
９      冷却水流路
９ａ    リブ
１０    冷却水流路
１０ａ  リブ
【図１】
2006147341.tif 000003
【図２】
2006147341.tif 000004
【図３】
2006147341.tif 000005