(57)【要約】【課題】燃料電池セルの製造方法において、燃料電池セルの発電不良やシール不良が生じることを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池セルの製造方法であって、カソード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側に、発電体とは逆側に向けて突出した第１突出部を設け、カソード側セパレータを第１突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管し、アノード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側の第１突出部に対応する位置に、発電体側に向けて突出した、第２突出部を設け、アノード側セパレータを第２突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管し、カソード側セパレータとアノード側セパレータとを、第１突出部と第２突出部とが、積層方向に積層方向に重なる位置になり、同一方向を向くように配置して発電体を挟持する、製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を含む発電体をカソード側セパレータとアノード側セパレータとで挟持して構成される燃料電池セルの製造方法であって、
（ａ）前記カソード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側に、前記発電体とは逆側に向けて突出した第１突出部を設ける工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記カソード側セパレータを前記第１突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管する工程と、
（ｃ）前記アノード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側の前記第１突出部に対応する位置に、前記発電体側に向けて突出した、第２突出部を設ける工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記アノード側セパレータを前記第２突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管する工程と、
（ｅ）前記工程（ｂ）および前記工程（ｄ）の後、前記カソード側セパレータと前記アノード側セパレータとを、前記第１突出部と前記第２突出部とが、積層方向に重なる位置になり、同一方向を向くように配置して前記発電体を挟持する工程と、を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料電池セルが複数積層して構成される。各燃料電池セルは、例えば、膜電極接合体や膜電極拡散層接合体を、一対のセパレータで挟持することにより構成される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４６５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池セルの製造時において、組み立て前のセパレータを複数積層して保管する場合、セパレータの発電面およびシール面同士が接触すると異物や汚れ、傷が発生する場合があり、発電不良およびシール不良の原因となる。そのため、セパレータの保管方法に起因して、燃料電池セルの発電不良やシール不良が生じることを抑制可能な技術が望まれていた。
【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、膜電極接合体を含む発電体をカソード側セパレータとアノード側セパレータとで挟持して構成される燃料電池セルの製造方法が提供される。この燃料電池セルの製造方法は、（ａ）前記カソード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側に、前記発電体とは逆側に向けて突出した第１突出部を設ける工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記カソード側セパレータを前記第１突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管する工程と、（ｃ）前記アノード側セパレータの外縁部に沿ったシール部よりも外周側の前記第１突出部に対応する位置に、前記発電体側に向けて突出した、第２突出部を設ける工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記アノード側セパレータを前記第２突出部が同じ方向を向くように複数枚積層して保管する工程と、（ｅ）前記工程（ｂ）および前記工程（ｄ）の後、前記カソード側セパレータと前記アノード側セパレータとを、前記第１突出部と前記第２突出部とが、積層方向に重なる位置になり、同一方向を向くように配置して前記発電体を挟持する工程と、を備える。この形態の燃料電池セルの製造方法によれば、第１突出部や第２突出部をそれぞれ重ね合わせてセパレータを積層して保管することが出来るので、セパレータの発電面やシール面同士が保管時に接触することを抑制することが出来る。そのためセパレータの保管方法に起因して、燃料電池セルの発電不良やシール不良が生じることを抑制できる。また、発電体をセパレータで挟持する際には、第１突出部と第２突出部を同じ方向に向けるため、カソード側セパレータとアノード側セパレータとがそれぞれの突出部によって短絡することを抑制することが出来る。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、この形態の製造方法で製造された燃料電池セルを複数積層した、燃料電池スタックや燃料電池としての形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池セルの断面図である。
【図２】燃料電池セルをカソード側セパレータ側から示す平面図である。
【図３】燃料電池セルの製造方法の概要を表わす工程図である。
【図４】カソード側セパレータを複数枚積層した状態を示す図である。
【図５】アノード側セパレータを複数枚積層した状態を示す図である。
【図６】燃料電池セルの製造方法の概要を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における製造方法で製造される燃料電池セル１００の断面図である。図１は、後述する図２をＩ−Ｉラインで切断した断面図である。燃料電池セル１００は、カソード側セパレータ２０に設けられた円錐台状の第１突出部５０ａと、アノード側セパレータ３０に設けられた円錐台状の第２突出部５０ｂとが、積層方向（Ｚ軸方向）において重なる位置Ｐになり、同一方向（−ｚ軸方向）を向くように配置して発電体１０を挟持した構成を有する。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池セルである。以下では、第１突出部５０ａと第２突出部５０ｂとをまとめて突出部５０という。
【００１０】
発電体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ隣接して形成されたアノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｂと、ガス拡散層１３とを備える。電解質膜１１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１１は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｂは水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。この電解質膜１１、アノード側触媒層１２ａ、カソード側触媒層１２ｂを合わせて、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。
【００１１】
ガス拡散層１３は、アノード側触媒層１２ａ側の面とカソード側触媒層１２ｂ側の面とにそれぞれ隣接して設けられている。ガス拡散層１３は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜１１、アノード側触媒層１２ａ、カソード側触媒層１２ｂ、ガス拡散層１３を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。
【００１２】
発電体１０の外周には、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）や、触媒電極同士の電気的短絡を抑制するために、シール体４０が設けられる。シール体４０は、例えばシリコーンゴムにより形成される。
【００１３】
カソード側セパレータ２０は、発電体１０の一方の面に接して配置され、シール体４０によって発電体１０の一方の面に接合される。カソード側セパレータ２０は、発電体１０よりも外周側に、カソード側セパレータ２０の外縁部に沿って、シール部４０ａを備える。シール部４０ａは、カソード側セパレータ２０においてシール体４０が接する部分である。
【００１４】
カソード側セパレータ２０は、発電体１０に対して空気を供給するための溝状のカソードガス流路２１をシール部４０ａよりも内側であり発電体１０に対向する部分に有する。また、カソード側セパレータ２０は、シール部４０ａよりも外周側に、発電体１０とは逆側（−ｚ軸方向）に突起した第１突出部５０ａを有する。
【００１５】
アノード側セパレータ３０は、発電体１０の他方の面に接して配置され、シール体４０によって発電体１０の他方の面に接合される。アノード側セパレータ３０は、発電体１０よりも外周側に、アノード側セパレータ３０の外縁部に沿って、シール部４０ｂを備える。シール部４０ｂは、アノード側セパレータ３０においてシール体４０が接する部分である。
【００１６】
アノード側セパレータ３０は、発電体１０に対して水素ガスを供給するための溝状のアノードガス流路３１をシール部４０ｂよりも内側であり発電体１０に対向する部分に有する。また、アノード側セパレータ３０は、シール部４０ｂよりも外周側に、発電体１０側（−ｚ軸方向）に突起した第２突出部５０ｂを有する。第２突出部５０ｂの積層方向への高さは、カソード側セパレータ２０およびアノード側セパレータ３０が発電体１０を挟持したときに、第１突出部５０ａに接触しない高さに設定されている。
【００１７】
図２は、燃料電池セル１００をカソード側セパレータ２０側から示す平面図である。図２に示すように、本実施形態では、突出部５０は、シール部４０ａよりも外周側において、燃料電池セル１００の四隅と燃料電池セル１００の長辺の中央部の２箇所の計６箇所に設けられている。突出部５０の数は、６つよりも多くても少なくても良いが、後述する積層保管時の安定性を向上させるため少なくとも四隅にあることが好ましい。
【００１８】
図３は、本実施形態の燃料電池セル１００の製造方法の概要を表わす工程図である。まず、カソード側セパレータ２０において、シール部４０ａの外周側に、発電体１０とは逆側に向けて突起した第１突出部５０ａを形成する（ステップＳ２００）。続いて、カソード側セパレータ２０を第１突出部５０ａが同じ方向を向くように複数枚積層して保管する（ステップＳ２１０）。
【００１９】
図４は、カソード側セパレータ２０を複数枚積層して保管した状態を示す図である。本実施形態において、各カソード側セパレータ２０同士の隙間６１は、例えば２５μｍ程度である。つまり、各第１突出部５０ａは、カソード側セパレータ２０を積層したときに、各カソード側セパレータ２０の間に隙間６１が形成される形状に形成されている。隙間６１は、２５μｍ以上確保されるのが好ましいが、これよりも小さくてもよい。
【００２０】
次に、アノード側セパレータ３０において、シール部４０ｂの外周側に、発電体１０側に向けて突起した第２突出部５０ｂを形成する（ステップＳ２２０）。続いて、アノード側セパレータ３０を第２突出部５０ｂが同じ方向を向くように複数枚積層して保管する（ステップＳ２３０）。なお、ステップＳ２００およびステップＳ２１０と、ステップＳ２２０およびステップＳ２３０とは、どちらが先に行われても良いし、並行して行われても良い。
【００２１】
図５は、アノード側セパレータ３０を複数枚積層して保管した状態を示す図である。本実施形態において、各アノード側セパレータ３０同士の隙間６２は、例えば２５μｍ程度である。つまり、各第２突出部５０ｂはアノード側セパレータ３０を積層したときに、各アノード側セパレータ３０の間に隙間６２が形成される形状に形成されている。隙間６２は、２５μｍ以上確保されるのが好ましいが、これよりも小さくてもよい。
【００２２】
次に、ステップＳ２１０で保管されたカソード側セパレータ２０と、ステップＳ２３０で保管されたアノード側セパレータ３０とを、第１突出部５０ａと第２突出部５０ｂとが、積層方向において重なる位置になり、同一方向を向くように配置して膜電極接合体を含む発電体１０を挟持する（ステップＳ２４０）。
【００２３】
図６は、本実施形態の燃料電池セル１００の製造方法をより具体的に示す説明図である。本実施形態では、センタープレス工程。ＰＡＣ工程、セル化工程の順で燃料電池セル１００が製造される。セパレータプレス工程では、ロール状の基材７０がプレス成型される。基材７０は例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板である。供給された基材７０をプレスすることにより、カソード側セパレータ２０およびアノード側セパレータ３０が成型される。セパレータプレス工程では、カソード側セパレータ２０にカソードガス流路２１と第１突出部５０ａが形成され、アノード側セパレータ３０にアノードガス流路３１と第２突出部５０ｂが形成されるようにプレス成型される。セパレータプレス工程は、図３におけるステップＳ２００およびステップＳ２２０に相当する。なお、図６にはカソード側セパレータ２０のセパレータプレス工程を示している。
【００２４】
ＰＡＣ工程では、ＰＡＣ処理と積層・保管とが行われる。セパレータプレス工程で製造されたセパレータは図４および図５に示したように積層保管され、その後、各セパレータにＰＡＣ処理が施される。そして、ＰＡＣ処理が施されたセパレータは、再度、図４および図５に示したように積層保管される。ＰＡＣ処理とは、耐食性を向上させるために行う表面処理であり、例えばＣＶＤ装置を用いてカソード側セパレータ２０およびアノード側セパレータ３０のガス流路部材の表面に導電性カーボン膜を形成する処理である。ＰＡＣ工程における積層・保管は、図３におけるステップＳ２１０およびステップＳ２３０に相当する。なお、図６にはカソード側セパレータ２０のＰＡＣ工程を示している。
【００２５】
セル化工程では、発電体１０がカソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とで挟持されてプレスされる。より具体的には、セル化工程では、カソード側セパレータ２０と、アノード側セパレータ３０とを、第１突出部５０ａと第２突出部５０ｂとが、積層方向において重なる位置になり、同一方向を向くように配置して発電体１０を挟持し、それらをプレスすることによって燃料電池セル１００が成型される。セル化工程は、図３におけるステップＳ２４０に相当する。
【００２６】
以上で説明した本実施形態の燃料電池セル１００の製造方法によれば、カソード側セパレータ２０のシール部４０ａの外周に第１突出部５０ａおよび、アノード側セパレータ３０のシール部４０ｂの外周に第２突出部５０ｂを形成することで、第１突出部５０ａや第２突出部５０ｂをそれぞれ重ね合わせて各セパレータを積層して保管することが出来るので、セパレータの発電面やシール面同士が接触することを抑制することが出来る。従って、セパレータの保管時にセパレータ同士が接触して異物や汚れ、傷が発生することを抑制することが可能になり、この結果、セパレータの保管方法に起因して、燃料電池セルの発電不良やシール不良が生じることを抑制できる。
【００２７】
また、膜電極接合体を含む発電体１０をカソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とで挟持する際には、第１突出部５０ａと第２突出部５０ｂを同じ方向に向けるため、カソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とがそれぞれの突出部によって短絡することを抑制することが出来る。また、各セパレータを、緩衝材等を間に入れることなく直接積層できるため、積層効率が良くなり、また緩衝材の取り出し作業が不要となる。この結果、燃料電池セル１００の製造コストを削減することが可能になる。
【００２８】
Ｂ．変形例：
上記実施形態において、カソード側セパレータ２０の第１突出部５０ａの積層方向への高さをアノード側セパレータ３０の第２突出部５０ｂの積層方向への高さより高くしてもよい。これにより、発電体１０をカソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とで挟持したときに、第１突出部５０ａと第２突出部５０ｂが接触して短絡する可能性をより低減できる。
【００２９】
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、上述した課題を解決するために、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】
【００３０】
１０…発電体
１１…電解質膜
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｂ…カソード側触媒層
１３…ガス拡散層
２０…カソード側セパレータ
２１…カソードガス流路
３０…アノード側セパレータ
３１…アノードガス流路
４０…シール体
４０ａ、４０ｂ…シール部
５０…突出部
５０ａ…第１突出部
５０ｂ…第２突出部
６１、６２…隙間
７０…基材
１００…燃料電池セル
Ｐ…位置
【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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