(57)【要約】【課題】積層する際にガスケットが単セルからずれることを抑制する。【解決手段】燃料電池スタックの製造方法は、ガスケット用凹部を有する第１セパレータと、第２セパレータと、第１セパレータ及び第２セパレータに挟まれた膜電極ガス拡散層接合体とを有する単セルを用意する工程と、底面を有する本体部と、本体部から底面と反対側に突出したリップ部とを有するガスケットを用意する工程と、第１セパレータのガスケット用凹部と、ガスケットの底面の少なくとも一方に液水を付与する工程と、第１セパレータのガスケット用凹部にガスケットを配置する工程と、を備える。【選択図】図５
2018077934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの製造方法であって、
ガスケット用凹部を有する第１セパレータと、第２セパレータと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれた膜電極ガス拡散層接合体とを有する単セルを用意する工程と、
底面を有する本体部と、前記本体部から前記底面と反対側に突出したリップ部とを有するガスケットを用意する工程と、
前記第１セパレータの前記ガスケット用凹部と、前記ガスケットの前記底面の少なくとも一方に液水を付与する工程と、
前記第１セパレータの前記ガスケット用凹部に前記ガスケットを配置する工程と、
を備える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ものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の単セルが積層された燃料電池スタックが開示されている。隣接する２つの単セルの間に、各単セルを流れる反応ガス及び冷却媒体の漏洩を防止するためのガスケットが配置されている。このガスケットは、単セルのセパレータとは別途に形成されてセパレータの装着溝に配置され、隣接する２つの単セルの押圧によって２つの単セルの間をシールする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−００４８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、このような燃料電池スタックの製造において、複数の単セルにそれぞれガスケットを配置した後、それらの単セルを積層する。しかしながら、従来技術では、積層を行うときに、ガスケットが単セルと接着していないため、ガスケットのズレが発生する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックの製造方法が提供される。この燃料電池スタックの製造方法は、ガスケット用凹部を有する第１セパレータと、第２セパレータと、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータに挟まれた膜電極ガス拡散層接合体とを有する単セルを用意する工程と、底面を有する本体部と、前記本体部から前記底面と反対側に突出したリップ部とを有するガスケットを用意する工程と、前記第１セパレータの前記ガスケット用凹部と、前記ガスケットの前記底面の少なくとも一方に液水を付与する工程と、前記第１セパレータの前記ガスケット用凹部に前記ガスケットを配置する工程と、を備える。
【０００７】
この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、第１セパレータのガスケット用凹部と、ガスケットの底面の少なくとも一方に液水が付与されるので、ガスケットとガスケット用凹部との間の密着力が高まり、ガスケットがガスケット用凹部からずれることを抑制できる。
【０００８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ガスケットの配置方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の製造方法で得られる燃料電池スタックの分解斜視図。
【図２】ガスケットが配置された単セルの平面図。
【図３】ガスケットが配置された単セルの断面図。
【図４】第１実施形態における燃料電池スタックの製造方法を示す説明図。
【図５】ガスケットを載せた単セルの断面図。
【図６】ガスケットとセパレータ間の密着力と湿度の関係を説明する図。
【図７】複数の単セルを積層する際の説明図。
【図８】第２実施形態における燃料電池スタックの製造方法を示す説明図。
【図９】第２実施形態におけるガスケットを載せた単セルの断面図。
【図１０】第３実施形態における燃料電池スタックの製造方法を示す説明図。
【図１１】第３実施形態におけるガスケットを載せた単セルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．燃料電池スタック及び単セルの構成：
図１は、本発明の製造方法で得られる燃料電池スタック１００の分解斜視図である。燃料電池スタック１００は、複数の単セル１４０が、図１に示すＺ軸方向に積層されて形成されている。図中で、Ｚ軸及びＸ軸は水平面と平行であり、＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方を示す。単セル１４０は、膜電極ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３２（以下、「ＭＥＧＡ３２」と呼ぶ）とＭＥＧＡ３２の外周に接着されたフレーム部材３１とを有するＭＥＧＡプレート３０と、ＭＥＧＡプレート３０を挟んで配置された２つのセパレータ４０，５０、すなわち、カソード側セパレータ４０（第２セパレータ）と、アノード側セパレータ５０（第１セパレータ）とを備える。燃料電池スタック１００は、いわゆる固体高分子形燃料電池であり、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、車両等に搭載される。
【００１１】
図２は、アノード側セパレータ５０の面から＋Ｚ方向に沿って見た単セル１４０の概略平面図である。アノード側セパレータ５０の長手方向の一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２と、が上から下へと順に並んで設けられている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４と、が上から下へと順に並んで設けられている。アノード側セパレータ５０の中央部分には、複数の筋状の冷却媒体流路溝５４が形成されている。なお、セパレータ４０，５０は、例えばステンレス鋼やチタンなどの金属部材をプレス成形したプレス成形板が採用される。但し、プレス成形板以外のセパレータを使用してもよい。
【００１２】
燃料ガス入口マニホールド孔６２から供給された燃料ガスのうち、利用されなかった燃料ガスは燃料ガス出口マニホールド孔６４によって集められ、燃料電池スタック１００（図１）の外部に排出される。また、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２から供給された酸化剤ガスのうち、利用されなかった酸化剤ガスは酸化剤ガス出口マニホールド孔７４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。さらに、冷却媒体入口マニホールド孔８２から供給された冷却媒体は、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体出口マニホールド孔８４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、複数の単セル１４０が積層された状態では、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド孔８４とが互いに連通して、冷却媒体流路面２００を構成する。
【００１３】
図２において、アノード側セパレータ５０の表面に、各反応ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４及び冷却媒体流路面２００のそれぞれを囲むようにガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が配置されている。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、複数の単セル１４０が積層された際に、隣接する２つの単セル１４０の表面に当接し、２つの単セル１４０の間を密封する機能を有する。具体的には、ガスケットＧＫ１，ＧＫ２が燃料ガスの漏洩を防止するためのものであり、ガスケットＧＫ３，ＧＫ４が酸化剤ガスの漏洩を防止するためのものであり、ガスケットＧＫ５が冷却媒体の漏洩を防止するためのものである。これらのガスケットＧＫ１〜ＧＫ５は、アノード側セパレータ５０とは別途に形成され、隣接する２つの単セル１４０の間に挟まれて配置されている。ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５としては、例えばゴムや樹脂などの弾性部材を含む軟質ガスケットを使用することができる。また、アノード側セパレータ５０には、これらのガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が配置される領域に、ガスケット用凹部８１が形成されている。
【００１４】
図３は、図２に示すガスケットＧＫ１〜ＧＫ５が配置された単セル１４０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。ガスケットＧＫ５は、底面２３を有する本体部２２と、本体部２２から底面２３と反対側に突出したリップ部２１とを有する。ガスケットＧＫ５は、底面２３がアノード側セパレータ５０のガスケット用凹部８１と接するように配置されている。なお、他のガスケットＧＫ１〜ＧＫ４の形状及び配置状態もガスケットＧＫ５と同様である。
【００１５】
Ｂ．燃料電池スタックの製造方法：
・第１実施形態：
図４は、第１実施形態における燃料電池スタック１００（図１）の製造方法を示す説明図である。加湿ブース３００は、単セル１４０（図２）のガスケット用凹部８１（図２）に液水を付与するための機構である。加湿ブース３００は、箱型の中空容器であり、側面に開閉可能なフタ３１０が設けられている。加湿ブース３００の中には、載置台３４０と、加湿器３２０と、湿度計３３０とが設置されている。加湿器３２０は、加湿ブース３００内の空気を水で加湿する。湿度計３３０は、加湿ブース３００内の湿度を測定する。
【００１６】
燃料電池スタック１００を製造する際には、まず、図２に示す単セル１４０を用意し、アノード側セパレータ５０が表に向くように単セル１４０を加湿ブース３００内の載置台３４０に置く。加湿ブース３００のフタ３１０を閉じて、加湿器３２０を起動させる。次に、図２に示すガスケットＧＫ１〜ＧＫ５を用意する。図４では、図示の便宜上、ガスケットＧＫ１〜ＧＫ５を表すガスケットＧＫの断面図が描かれている。ガスケットＧＫは、予めトレイ９０に設置されており、ガスケットＧＫの上方にエアサクション式のロボットアーム４００が待機している。加湿ブース３００の湿度計３３０が表示する湿度が予め定められた値（例えば７５％Ｒｈ〜１００％Ｒｈ）になると、フタ３１０が開き、ロボットアーム４００がガスケットＧＫを吸い上げて加湿ブース３００に入り、ガスケットＧＫを単セル１４０の上に載せる。ガスケットＧＫは、図２に示すようにアノード側セパレータ５０のガスケット用凹部８１に配置される。
【００１７】
図５は、図４のガスケットＧＫを載せた後の単セル１４０の断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を用いて説明する図である。単セル１４０のアノード側セパレータ５０の表面には、加湿によって液水ＷＳが形成されている。ガスケットＧＫ５は、液水ＷＳの上に載せられている。ガスケットＧＫ５の底面２３とガスケット用凹部８１の間に液水ＷＳが形成されていれば、液水ＷＳの表面張力の働きによってガスケットＧＫ５とガスケット用凹部８１を密着させることができる。
【００１８】
図６は、ガスケットＧＫとアノード側セパレータ５０との間の密着力と、加湿ブース３００（図４）内の湿度との関係を表すグラフである。密着力は、９０°剥離試験により測定した。湿度が２０％Ｒｈである条件は、加湿を行わないドライな条件である。本発明の発明者の実験によれば、加湿ブース３００内を加湿すると密着力が上昇し、湿度が５０％Ｒｈ以上になると密着力が急激に上昇する。また、湿度が７０％Ｒｈ以上に上がると密着力が更に急激に上昇する。また、ガスケットＧＫとアノード側セパレータ５０との間の密着力は０．６Ｎ／ｃｍ以上とすることが好ましい。従って、加湿ブース３００内の湿度を７５％〜１００％Ｒｈの範囲内とすることが好ましく、８０％〜１００％Ｒｈの範囲内とすることが更に好ましい。こうすれば、単セル１４０のアノード側セパレータ５０の表面に十分な液水ＷＳを付与することができ、ガスケットＧＫとガスケット用凹部８１を十分に密着させることができる。
【００１９】
図７は、複数の単セル１４０を積層する際の説明図である。図４に示すガスケットＧＫを単セル１４０に配置する工程の後、他の単セル１４０にも同様な工程が行われる。その後、それらの複数の単セル１４０を積層する。まず、基盤５００にエンドプレート１５１を設置し、エンドプレート１５１の上に１枚目の単セル１４０をガスケットＧＫが表に向くように載せる。次に、他の単セル１４０を１枚目の単セル１４０と同じ向きで１枚目の単セル１４０に次第に積層する。積層が完了した後、最上層の単セル１４０（ガスケットＧＫ無し）にエンドプレート１５２を積層し、エンドプレート１５２にＺ軸方向の圧力を加える。この後、これらの単セル１４０スタック体を乾燥させて液水ＷＳ（図５）を除去することにより、燃料電池スタック１００（図１）の製造が完了する。
【００２０】
以上説明したように、第１実施形態では、単セル１４０のアノード側セパレータ５０のガスケット用凹部８１に液水ＷＳが付与されるので、ガスケットＧＫとガスケット用凹部８１との間の密着力が高まり、ガスケットＧＫがガスケット用凹部８１からずれることを抑制できる。
【００２１】
・第２実施形態：
図８は、第２実施形態における燃料電池スタック１００（図１）の製造方法を示す説明図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を用いて説明する図である。第１実施形態の製造方法との違いは、液水を付与する工程のみであり、他の工程は第１実施形態と同様である。図８において、ガスケットＧＫ５ａがアノード側セパレータ５０のガスケット用凹部８１に配置される前に、底面２３に予めカプセルＣ５が埋め込まれている。カプセルＣ５の内部には液水ＷＳが貯蔵されている。カプセルＣ５の外殻は、ガスケットＧＫ５ａをガスケット用凹部８１に配置するときの圧力で破裂する強度を有し、例えば疎水性の樹脂膜で形成される。なお、他のガスケットＧＫ１〜ＧＫ４の底面にも同様にカプセルが埋め込まれている。
【００２２】
図９は、図８に示すガスケットＧＫ５ａを単セル１４０のガスケット用凹部８１に配置した後の様子を説明する図であり、第１実施形態の図５に対応した図である。図８に示すカプセルＣ５が、ガスケットＧＫ５ａをガスケット用凹部８１に配置するときの圧力によって破裂し、カプセルＣ５内の液水ＷＳがガスケットＧＫ５ａとガスケット用凹部８１との間に流れ込む。この結果、液水ＷＳの表面張力の働きによってガスケットＧＫ５とガスケット用凹部８１を密着させることができる。第２実施形態においても、ガスケットＧＫ５ａに液水ＷＳが付与されるので、ガスケットＧＫ５ａとガスケット用凹部８１との間の密着力が高まり、ガスケットＧＫ５ａがガスケット用凹部８１からずれることを抑制できる。
【００２３】
・第３実施形態：
図１０は、第３実施形態における燃料電池スタック１００（図１）の製造方法を示す説明図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を用いて説明する図である。第１実施形態の製造方法との違いは、液水を付与する工程のみであり、他の工程は第１実施形態と同様である。図１０において、単セル１４０のガスケット用凹部８１の上方にノズル６００が設置され、ノズル６００から噴射された液水によってガスケット用凹部８１の表面に液水ＷＳが付与される。
【００２４】
図１１は、図１０に示す単セル１４０のガスケット用凹部８１にガスケットＧＫ５を配置した後の様子を説明する図であり、第１実施形態の図５に対応した図である。ガスケットＧＫ５は、ガスケット用凹部８１の表面の液水ＷＳの上に載せられている。他のガスケットＧＫ１〜ＧＫ４も同様である。第３実施形態においても、ガスケット用凹部８１に液水ＷＳが付与されるので、ガスケットＧＫ５とガスケット用凹部８１との間の密着力が高まり、ガスケットＧＫ５がガスケット用凹部８１からずれることを抑制できる。
【００２５】
・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２６】
・変形例１：
以上の実施形態では、ガスケット用凹部８１及びガスケットＧＫ１〜ＧＫ５がアノード側セパレータ５０に設けられているが、その代わりに、ガスケット用凹部８１及びガスケットＧＫ１〜ＧＫ５がカソード側セパレータ４０に設けられていてもよい。この場合、第１セパレータはカソード側セパレータ４０であり、第２セパレータはアノード側セパレータ５０である。
【００２７】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
２１…リップ部
２２…本体部
２３…底面
３０…ＭＥＧＡプレート
３１…フレーム部材
３２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
４０…カソード側セパレータ
５０…アノード側セパレータ
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口マニホールド孔
６４…燃料ガス出口マニホールド孔
７２…酸化剤ガス入口マニホールド孔
７４…酸化剤ガス出口マニホールド孔
８１…ガスケット用凹部
８２…冷却媒体入口マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
９０…トレイ
１００…燃料電池スタック
１４０…単セル
１５１，１５２…エンドプレート
２００…冷却媒体流路面
３００…加湿ブース
３１０…フタ
３２０…加湿器
３３０…湿度計
３４０…載置台
４００…ロボットアーム
５００…基盤
６００…ノズル
Ｃ５…カプセル
ＧＫ…ガスケット
ＧＫ１〜ＧＫ５…ガスケット
ＧＫ５ａ…ガスケット
ＷＳ…液水
【図１】
2018077934.tif 000003
【図２】
2018077934.tif 000004
【図３】
2018077934.tif 000005
【図４】
2018077934.tif 000006
【図５】
2018077934.tif 000007
【図６】
2018077934.tif 000008
【図７】
2018077934.tif 000009
【図８】
2018077934.tif 000010
【図９】
2018077934.tif 000011
【図１０】
2018077934.tif 000012
【図１１】
2018077934.tif 000013