(57)【要約】【課題】  膜電極接合体とセパレータとの位置ずれを無くして燃料電池スタックが大型化するのを防止すると共に、燃料電池スタックの起電力の低下を抑制し得る燃料電池スタックの積層装置を提供する。【解決手段】  金属板からなるセパレータ１５と膜電極接合体１４の少なくとも２辺１４ａ，１５ａ，１４ｂ，１５ｂを突き当てる第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８を有し、その突き当て部材１７、１８の突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａにこれら膜電極接合体１４とセパレータ１５を突き当てて、該膜電極接合体１４と該セパレータ１５を交互に積層してなる燃料電池スタックの積層装置において、前記突き当て部材１７、１８に、少なくとも前記セパレータ１５を前記突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付ける永久磁石２１、２２、２３を設けた。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板からなるセパレータと膜電極接合体を交互に積層してなる燃料電池スタックの積層方法において、
前記膜電極接合体及び前記セパレータの少なくとも２辺を突き当て部材に突き当て、該突き当て部材に設けた引付け手段により、少なくとも前記セパレータを引き付けて位置決めさせる
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層方法。
【請求項２】
金属板からなるセパレータと膜電極接合体の少なくとも２辺を突き当てる突き当て部材を有し、その突き当て部材の突き当て面にこれら膜電極接合体とセパレータを突き当てて、該膜電極接合体と該セパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの積層装置において、
前記突き当て部材に、少なくとも前記セパレータを前記突き当て面に引き付ける引付け手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックの積層装置であって、
前記引付け手段は、永久磁石からなる
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層装置。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池スタックの積層装置であって、
前記引付け手段は、電極に電圧を印加して引付け力を発生する手段からなる
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層装置。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池スタックの積層装置であって、
前記引付け手段は、前記突き当て面に複数形成した吸引孔よりエアーを吸引するエアー吸引手段からなる
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体とセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池スタックの積層装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層することで燃料電池スタックを形成している。
【０００３】
かかる膜電極接合体とセパレータを積層する方法としては、これらの外形寸法に合わせた筐体内に、当該膜電極接合体とセパレータを交互に積層させる方法が知られている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００４】
特許文献１に記載の方法によれば、膜電極接合体及びセパレータの外形部分が筐体の内壁によって位置規制されることから当該膜電極接合体とセパレータの積層位置ずれを防止することができ、各セパレータに形成された燃料ガス流路や酸化剤ガス流路などの位置ずれも抑えることが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−８６２３０号公報（第３頁および第４頁、第８図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、膜電極接合体とセパレータとは、それらの間から燃料ガスや酸化剤ガスが漏れ出ないようにするためにシール部材によってシールされている。かかるシール部材は、セパレータの外周縁部に設けられており、セパレータの上に膜電極接合体が積層されたときに、当該膜電極接合体の外周縁部と密着する。
【０００６】
しかしながら、シール部材はゴムなどの弾性部材から形成されているため、膜電極接合体の積層時に該膜電極接合体との接触によりシール部材が弾性変形し、その弾性変形により元の状態に復帰しようとする力によって、膜電極接合体とセパレータ間に積層位置ずれが発生する。
【０００７】
そこで、本発明は、膜電極接合体とセパレータとの位置ずれを無くして燃料電池スタックが大型化するのを防止すると共に、燃料電池スタックの起電力の低下を抑制し得る燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池スタックの積層装置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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックの積層方法は、金属板からなるセパレータと膜電極接合体の少なくとも２辺を突き当て部材に突き当て、該突き当て部材に設けた引付け手段により、少なくとも前記セパレータを引き付けて位置決めさせるようにした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、突き当て部材に設けた引付け手段で、少なくともセパレータを当該突き当て部材に引き付けるので、セパレータが突き当て部材から離れることが防止される。その結果、膜電極接合体とセパレータとの積層位置がずれるのを回避でき、さらに、燃料電池スタックが大型化するのが防止されると共に起電力も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
「燃料電池スタックの構成」
図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１２】
この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１３】
燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れた後、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れた後、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れた後、冷却水排出口１３より排出される。
【００１４】
燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。
【００１５】
膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００１６】
セパレータ１５は、発電効率をより一層高めるためにその厚みを薄くした、導電性に優れた金属板からなる。例えば、セパレータ１５には、磁性体であるマルテンサイト、フェライトなどの導電性を有した金属板を使用することが好ましい。このセパレータ１５には、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の領域）に、凹条部と凸条部を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）からなる燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が形成されている。
【００１７】
また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド（図示は省略する）が形成されている。さらに、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔が形成されている。
【００１８】
このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とは、該膜電極接合体１４の両面にセパレータ１５を積層し、これらの間をシールすることで燃料電池単セル２を構成し、その各燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタック１が構成される。
【００１９】
「燃料電池スタックの積層装置」
次に、燃料電池スタックの積層装置について図面を参照しながら説明する。図２は燃料電池スタックの積層装置に膜電極接合体及びセパレータを積層させた状態の積層装置の斜視図、図３は燃料電池スタックに膜電極接合体及びセパレータを積層させる前の状態の積層装置の斜視図、図４は燃料電池スタックの積層装置に膜電極接合体及びセパレータを積層させた状態の積層装置の平面図、図５は突き当て部材の一部を破断して示した燃料電池スタックの積層装置の平面図である。
【００２０】
本実施の形態の燃料電池スタックの積層装置は、図２から図４に示すように、燃料電池スタック１を積層させるベースとなる基台１６と、この基台１６の上に固定された第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８とからなる。
【００２１】
第１突き当て部材１７は、膜電極接合体１４及びセパレータ１５の一方の短辺１４ａ、１５ａの端面を突き当てる突き当て壁１７Ａと、長辺１４ｂ、１５ｂの端面を突き当てる突き当て壁１７Ｂと、この突き当て壁１７Ｂとほぼ平行に配置されるガイド壁１７Ｃとを有し、これらが一体化されて平面略コ字状とされている。
【００２２】
この第１突き当て部材１７は、少なくとも膜電極接合体１４とセパレータ１５を交互に積層して得られる燃料電池スタック１の高さよりも高い壁として形成されている。そして、この第１突き当て部材１７のうち、２つの突き当て壁１７Ａ、１７Ｂの内側の面が、膜電極接合体１４及びセパレータ１５の端面を突き当てる突き当て面１９ａ、１９ｂとなっている。
【００２３】
第２突き当て部材１８は、膜電極接合体１４及びセパレータ１５の前記長辺１４ｂ、１５ｂの端面を突き当てる突き当て壁１８Ａと、この突き当て壁１８Ａに対して略直角に配置されるガイド壁１８Ｂとを有し、これらが一体化されて平面略逆Ｌ字状とされている。
【００２４】
この第２突き当て部材１８は、第１突き当て部材１７と同様、積層して得られた燃料電池スタック１の高さよりも高い壁として形成されている。また、この第２突き当て部材１８の突き当て壁１８Ａは、第１突き当て部材１７の突き当て壁１７Ｂと同一直線上に設けられている。また、第２突き当て部材１８のガイド壁１８Ｂは、第１突き当て部材１７の突き当て壁１７Ａに対して膜電極接合体１４及びセパレータ１５の長さよりも長い距離とした位置に設けられている。そして、この突き当て壁１８Ａの内側の面が、膜電極接合体１４及びセパレータ１５の端面を突き当てる突き当て面２０ａとなっている。
【００２５】
そして、本実施の形態の燃料電池スタックの積層装置においては、第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に、膜電極接合体１４及びセパレータ１５を前記突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付ける引付け手段である永久磁石２１、２２、２３が設けられている。
【００２６】
前記２つの永久磁石２１、２２は、第１突き当て部材１７の突き当て壁１７Ａと突き当て壁１７Ｂにそれぞれ埋設して設けられている。残りの永久磁石２３は、第２突き当て部材１８の突き当て壁１８Ａに埋設されている。かかる永久磁石２１、２２、２３は、少なくとも積層されて得られる燃料電池スタック１の高さ以上の高さを有している。
【００２７】
「燃料電池スタックの積層方法」
次に、燃料電池スタックの積層方法について説明する。先ず、セパレータ１５の一つの角部を挟む短辺１５ａと長辺１５ｂを突き当て基準辺として、第１突き当て部材１７と第２突き当て部材１８の突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに突き当てる。すると、各突き当て壁１７Ａ、１７Ｂ、１８Ａに設けられた永久磁石２１、２２、２３の磁力によって金属薄板からなるセパレータ１５が引き付けられ、セパレータ１５の短辺１５ａ及び長辺１５ｂの端面が隙間無くそれぞれの突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａと密着する。
【００２８】
セパレータ１５を第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に突き当てるに際しては、セパレータ１５の角部を図５中矢印Ａで示す第１突き当て部材１７の角部に押し込むようにする。このようにすることで、セパレータ１５を第１突き当て部材１７と第２突き当て部材１８に対して隙間無く突き当てて配置させることができる。
【００２９】
次に、このセパレータ１５の上に膜電極接合体１４を積層する。膜電極接合体１４を積層するに当たっては、やはり一つの角部を挟む短辺１４ａと長辺１４ｂを突き当て基準辺として、第１突き当て部材１７と第２突き当て部材１８の突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに該膜電極接合体１４を突き当てる。
【００３０】
セパレータ１５には、図６に示すように、該セパレータ１５と膜電極接合体１４との間をシールするための樹脂ゴムなどの弾性を有したシール部材２４が設けられている。このシール部材２４は、この上に積層される膜電極接合体１４と密着して積層される。このとき、先に配置されたセパレータ１５は、永久磁石２１、２２、２３の磁力によって突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａから離れることがない。
【００３１】
これに対して、永久磁石２１、２２、２３を設けなかった場合は、図７に示すように、膜電極接合体１４の積層時にシール部材２４が、当該膜電極接合体１４との接触によって突き当て方向に曲がった状態でセパレータ１５上に積層される。そして、このシール部材２４が弾性変形して元の状態（図７中破線で示す）に復帰しようとする力によって、セパレータ１５が図７中矢印Ｂで示す突き当て面１９ａから離れる方向に位置ずれを生じる。そのため、膜電極接合体１４とセパレータ１５との積層位置が生じてしまう。
【００３２】
しかしながら、本実施の形態の積層装置では、セパレータ１５は永久磁石２１、２２、２３の磁力の作用によって突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付けられた状態にあるから、前記シール部材２４の弾性復帰力に影響されることなく、膜電極接合体１４との積層位置関係を保持する。つまり、セパレータ１５と膜電極接合体１４との積層位置ずれは発生しない。
【００３３】
このようにして、セパレータ１５と膜電極接合体１４を交互に積層して行き、所定の枚数を積層した時点で積層を止め、積層後に永久磁石２１、２２、２３を脱磁する。この脱磁によって、積層されて形成された燃料電池スタック１を積層装置から取り出すことが可能となる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の燃料電池スタックの積層方法によれば、第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に設けた引付け手段である永久磁石２１、２２、２３によって、セパレータ１５をこれら第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８の突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付けることができるので、セパレータ１５が当該突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａから離れることが防止される。そのため、膜電極接合体１４とセパレータ１５との積層位置ずれを防止することができる。さらに、膜電極接合体１４とセパレータ１５を位置ずれ無く積層することができるので、燃料電池スタック１の大型化を防止でき且つ起電力を高められる。
【００３５】
本実施の形態の燃料電池スタックの積層装置によれば、第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に、セパレータ１５を突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付ける永久磁石２１、２２、２３を配置したので、この永久磁石２１、２２、２３の磁力によってセパレータ１５を固定することができる。そのため、このセパレータ１５の上に膜電極接合体１４を配置したときのシール部材２４の弾性復帰力によって当該セパレータ１５が位置ずれを生ずるのを防止できる。
【００３６】
また、本実施の形態の燃料電池スタックの積層装置によれば、引付け手段として永久磁石２１、２２、２３を用いたので、装置コストを抑えることができる。
【００３７】
「その他の実施の形態」
上述の実施の形態では、引付け手段として永久磁石２１、２２、２３を使用したが、図８に示すように、第１突き当て部材１７の突き当て壁１７Ａ、１７Ｂと、第２突き当て部材１８の突き当て壁１８Ａにそれぞれ電極２５、２６、２７を埋設し、各電極２５、２６、２７にそれぞれ直流電圧を印加する電圧発生装置２８を接続する。
【００３８】
この図８に示す積層装置では、各電極２５、２６、２７に電圧発生装置２８にて直流電圧を印加すると、電磁力が発生し、その電磁力が引付け力（吸着力）となってセパレータ１５を第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に引き付ける。この積層装置を使用すれば、先の実施の形態と同様に、膜電極接合体１４とセパレータ１５間の積層位置ずれを防止することができる。
【００３９】
また、この他、図９及び図１０に示すように、第１突き当て部材１７の突き当て壁１７Ａ、１７Ｂ及び第２突き当て部材１８の突き当て壁１８Ａのそれぞれの突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに、高さ方向に沿って複数の吸引孔２９を形成し、その吸引孔２９からエアーを吸引することでセパレータ１５及び膜電極接合体１４を第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８に引き付けるように構成した積層装置を使用してもよい。。
【００４０】
各吸引孔２９は、突き当て壁１７Ａの高さ方向に形成した長孔３０に連通されると共に、突き当て壁１７Ａの側面から前記長孔３０に連通する横穴３１に接続されている。そして、横穴３１には、図示を省略したバキューム装置に接続されるバキュームホース３２が接続されるようになっている。
【００４１】
このように構成することで、バキューム装置でバキュームすると、バキュームホース３２を介して複数の吸引孔２９からエアーが吸引されることになり、そのエアー吸引によるバキューム力でセパレータ１５及び膜電極接合体１４を、第１突き当て部材１７及び第２突き当て部材１８の各突き当て面１９ａ、１９ｂ、２０ａに引き付けることができる。そのため、この積層装置によれば、膜電極接合体１４とセパレータ１５とを積層位置ずれを生じさせることなく積層させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの積層装置に膜電極接合体及びセパレータを積層させた状態の積層装置の斜視図である。
【図３】燃料電池スタックに膜電極接合体及びセパレータを積層させる前の状態の積層装置の斜視図である。
【図４】燃料電池スタックの積層装置に膜電極接合体及びセパレータを積層させた状態の積層装置の平面図である。
【図５】突き当て部材の一部を破断して示した燃料電池スタックの積層装置の平面図である。
【図６】永久磁石によってセパレータを突き当て面に引き付けた状態を示す要部拡大断面図である。
【図７】永久磁石を設けずに突き当て面にセパレータを突き当てた状態を示す要部拡大断面図である。
【図８】突き当て部材に電極を配置し、その電極に電圧を印加して引付け力を発生させた状態を示す燃料電池スタックの積層装置の平面図である。
【図９】突き当て面に複数形成した吸引孔よりエアーを吸引してセパレータを突き当て面に引き付ける燃料電池スタックの積層装置の斜視図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線位置における拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１７…第１突き当て部材
１７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ…突き当て壁
１８…第２突き当て部材
１９ａ、１９ｂ、２０ａ…突き当て面
２１、２２、２３…永久磁石（引付け手段）
２４…シール部材
２５、２６、２７…電極（引付け手段）
２８…電圧発生装置（引付け手段）
２９…吸引孔（引付け手段）
３２…バキュームホース（引付け手段）
【図１】
2006147232.tif 000003
【図２】
2006147232.tif 000004
【図３】
2006147232.tif 000005
【図４】
2006147232.tif 000006
【図５】
2006147232.tif 000007
【図６】
2006147232.tif 000008
【図７】
2006147232.tif 000009
【図８】
2006147232.tif 000010
【図９】
2006147232.tif 000011
【図１０】
2006147232.tif 000012