(57)【要約】【課題】スタック全体の寸法精度を向上することが可能な燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック（１）は、凹凸加工された一枚の金属板が折り曲げられた構造を有する、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが一体形成された複数のセパレータ部材（１２）と、アノード電極と電解質膜とカソード電極とが接合された複数の膜−電極接合体（２０）とが１つずつ交互に積層された積層体を含む。燃料電池スタック（１）の製造方法は、少なくとも一面が開口したケース（３０）を用意する工程と、ケース（３０）の内部に、複数のセパレータ部材（１２）と複数の膜−電極接合体（２０）とを１つずつ交互に配置する工程と、ケース（３０）の少なくとも１つの開口した面側に熱硬化性樹脂を含む硬化性組成物を付着させる工程と、硬化性組成物を硬化する工程とを含む。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸加工された一枚の金属板が折り曲げられた構造を有する、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが一体形成された複数のセパレータ部材と、アノード電極と電解質膜とカソード電極とが接合された複数の膜−電極接合体とが１つずつ交互に積層された積層体を含む燃料電池スタックの製造方法であって、
少なくとも一面が開口したケースを用意する工程と、
前記ケースの内部に、複数の前記セパレータ部材と複数の前記膜−電極接合体とを１つずつ交互に配置する工程と、
前記ケースの少なくとも１つの開口した面側に熱硬化性樹脂を含む硬化性組成物を付着させる工程と、
前記硬化性組成物を硬化する工程とを含む、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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、一枚の金属板を折り曲げてアノード側セパレータ部（５）とカソード側セパレータ部（６）とを一体形成した複数のセパレータ部材（４）と、２枚のシール部材（３１、３１）の間に膜−電極接合体（３０）を挟み込んで構成した複数の電極部材（３）とを１つずつ交互に積み重ねた燃料電池スタック（１）が開示されている（請求項１、段落００１６、００１８等）。膜−電極接合体（３０）では、フイルム状の電解質膜（３００）の一方の面にアノード電極（３０１）が、他方の面にカソード電極（３０２）がそれぞれ設けられている（段落００１８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１１４９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、図２に示されるように、複数のセパレータ部材と複数の電極部材を含む多数の部材を積み重ねて燃料電池スタックを製造しているため、各部材の配置のずれが積み上がり、スタック全体の寸法精度を高めることが難しい。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スタック全体の寸法精度を向上することが可能な燃料電池スタックの製造方法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】
【０００６】
本発明の燃料電池スタックの製造方法は、
凹凸加工された一枚の金属板が折り曲げられた構造を有する、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが一体形成された複数のセパレータ部材と、アノード電極と電解質膜とカソード電極とが接合された複数の膜−電極接合体とが１つずつ交互に積層された積層体を含む燃料電池スタックの製造方法であって、
少なくとも一面が開口したケースを用意する工程と、
前記ケースの内部に、複数の前記セパレータ部材と複数の前記膜−電極接合体とを１つずつ交互に配置する工程と、
前記ケースの少なくとも１つの開口した面側に熱硬化性樹脂を含む硬化性組成物を付着させる工程と、
前記硬化性組成物を硬化する工程とを含むものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スタック全体の寸法精度を向上することが可能な燃料電池スタックの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】セパレータ部材の材料である金属板の一例を示す模式平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＩＢ−ＩＢ線模式断面図である。
【図１Ｃ】セパレータ部材の一例を示す模式断面図である。
【図２】膜−電極接合体の一例を示す模式断面図である。
【図３】ケースの一例を示す模式斜視図である。
【図４】燃料電池スタックの製造工程を示す模式斜視図である。
【図５】燃料電池スタックの製造工程を示す模式斜視図である。
【図６】燃料電池スタックの製造工程を示す模式斜視図である。
【図７】燃料電池スタックの製造工程を示す模式断面図である。
【図８】燃料電池スタックの製造工程を示す模式断面図である。
【図９Ａ】ケースの他の例を示す斜視図である。
【図９Ｂ】ケースの他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の燃料電池スタックの製造方法について、説明する。ここでは、固体高分子型燃料電池スタックを例として説明するが、本発明は任意の燃料電池スタックに適用可能である。
【００１０】
（セパレータ部材を用意する工程）
セパレータ部材の材料として、図１Ａおよび図１Ｂに示すような一枚の金属板１１を用意する。図１Ａは、セパレータ部材となる折り曲げ前の一枚の金属板１１の模式平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線模式断面図である。
図１Ａ、図１Ｂにおいて、金属板１１は、図示左半分がアノード側セパレータとなる領域１１Ａであり、図示右半分がカソード側セパレータとなる領域１１Ｃである。
【００１１】
図１Ｂに示すように、金属板１１において、燃料電池の発電領域となる領域には、ガス流路を形成するための凹凸加工が施されている。具体的には、凹凸加工によって、アノード側セパレータには燃料ガス流路が形成され、カソード側セパレータには酸化ガス流路が形成される。なお、酸化ガスとしては酸素ガスおよび空気等が挙げられ、燃料ガスとしては水素ガスおよびメタノールガス等が挙げられる。凹凸加工は、公知のプレス加工により実施することができる。
【００１２】
図１Ａおよび図１Ｂに示した一枚の金属板１１を中心線１１Ｍに沿って折り曲げて、図１Ｃに示すように、アノード側セパレータ１２Ａとカソード側セパレータ１２Ｃとが一体形成されたセパレータ部材１２を製造することができる。図１Ｃは、セパレータ部材１２の図１Ｂに対応した模式断面図である。
なお、この工程で用意するセパレータ部材は、凹凸加工された一枚の金属板が折り曲げられた構造を有し、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが一体形成されたものであればよく、凹凸パターンおよび金属板の折り曲げ位置等は適宜設計変更可能である。
【００１３】
（膜−電極接合体を用意する工程）
別途、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方の面に形成されたアノード電極２１と、電解質膜２２の他方の面に形成されたカソード電極２３とを含む、図２に示すような膜−電極接合体２０を用意する。図２は、膜−電極接合体２０の模式断面図である。
本実施形態において、電解質膜２２は固体高分子電解質膜である。電解質膜２２は好ましくはスルホン酸基を有する含フッ素イオン交換樹脂等の電解質からなり、プロトン伝導性を有する膜である。市販の電解質膜としては、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜、旭化成社製のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ：登録商標）膜、および旭硝子社製のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ：登録商標）膜等が挙げられる。
アノード電極２１は、電解質膜２２側から、アノード側触媒層２１Ａとアノード側ガス拡散層２１Ｂとの積層構造を有する。同様に、カソード電極２３は、電解質膜２２側から、カソード側触媒層２３Ａとカソード側ガス拡散層２３Ｂとの積層構造を有する。
アノード側およびカソード側の触媒層は、粉末状のカーボン担体に白金等の触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質樹脂とを含むことができる。
アノード側およびカソード側のガス拡散層は、カーボンペーパー、カーボンクロス、およびカーボンフェルト等の導電性多孔質材料からなる基材上に、アセチレンブラック等のカーボンブラックおよびグラファイト等の導電性材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性材料とを含むマイクロポーラス層が形成された層であることができる。
膜−電極接合体２０は公知方法にて製造することができる。
【００１４】
（ケースを用意する工程）
別途、少なくとも一面が開口したケースを用意する。この工程においては、少なくとも底面部と互いに対向する２つの側面部とを有するケースを用意することが好ましい。
図３に示す例のケース３０Ａは底面部３１と左側面部３２と右側面部３３とからなり、前面、背面、および上面の３面が開口したケースである。図３は模式斜視図である。
ケース３０Ａの内面（底面部３１と左側面部３２と右側面部３３の内面）には、好ましくはエポキシ樹脂およびフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含む公知の接着剤を塗布しておくことが好ましい。
【００１５】
なお、この工程で用意するケースの開口面の数は適宜設計可能である。例えば、図９Ａに示すように、底面部３１と左側面部３２と右側面部３３と背面部３５とからなり、前面および上面の２面が開口したケース３０Ｂを用意してもよい。あるいは、図９Ｂに示すように、底面部３１と左側面部３２と右側面部３３と前面部３４と背面部３５とからなり、上面の１面のみが開口したケース３０を用意してもよい。なお、左、右、前、後は図面上の向きであり、実使用時の向きは適宜変化し得る。
【００１６】
（ケース内に複数のセパレータ部材と複数の膜−電極接合体とを交互配置する工程）
次に図４および図５に示すように、ケース３０Ａの内部（図示例では、互いに対向する２つの側面部３２、３３の間）に、複数のセパレータ部材１２と複数の膜−電極接合体２０とを１つずつ交互に配置する。この工程終了後に、ケース３０Ａ内に複数のセパレータ部材と複数の膜−電極接合体とが１つずつ交互に積層された積層体が形成される。
図４および図５は、図３に対応した模式斜視図であり、図４はこの工程の途中の図、図５はこの工程の終了後の図である。
【００１７】
（ケースを完成する工程）
上記工程において１つの以上の側面と上面が開口したケース（２面以上が開口したケース）を用意した場合、上記工程後に必要に応じて、ケースの上面以外の側面部を取り付けて、底面部３１と左側面部３２と右側面部３３と前面部３４と背面部３５とからなり、上面の１面のみが開口したケース３０とすることができる。
例えば、上記工程において、図３に示した、前面、背面、および上面が開口したケース３０Ａを用意した場合、図６に示すように、ケース３０Ａの前面部３４と背面部３５を取り付けて、底面部３１と左側面部３２と右側面部３３と前面部３４と背面部３５とからなり、上面のみが開口したケース３０とすることができる。前面部３４と背面部３５の内面にはあらかじめ、好ましくはエポキシ樹脂およびフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含む公知の接着剤を塗布しておくことが好ましい。
【００１８】
（ケースを封口する工程）
次に、ケース３０の開口した面側にエポキシ樹脂およびフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含む硬化性組成物を付着させ、硬化させる。例えば、図７および図８に示すように、図６に示した構造体１Ｐを上下反転させ、ケース３０の開口した面側を容器５１内に入れた液状の硬化性組成物５２中に浸漬させた後、液状の硬化性組成物５２から構造体１Ｐを引き上げて、付着した硬化性組成物５２を硬化させることができる。図８において、符号５３は、硬化性組成物５２の硬化物を示す。この硬化物５３は、交互積層された複数のセパレータ部材１２と複数の膜−電極接合体２０とを固定するシール材として機能すると共に、ケース３０を封口するカバー材として機能することができる。
【００１９】
以上のようにして、燃料電池スタック１が製造される。
図８に示すように、燃料電池スタック１は、凹凸加工された一枚の金属板１１が折り曲げられた構造を有する、アノード側セパレータ１２Ａとカソード側セパレータ１２Ｃとが一体形成された複数のセパレータ部材１２と、アノード電極２１と電解質膜２２とカソード電極２３とが接合された複数の膜−電極接合体２０とが１つずつ交互に積層された積層体を含む。この積層体は、１つの膜−電極接合体２０と、これを挟むように配置された一対のアノード側セパレータ１２Ａとカソード側セパレータ１２Ｃとからなる燃料電池セル（単セル）を複数含んでいる。
燃料電池スタック１において、複数の燃料電池セルを含む積層体は、少なくとも一面が開口したケース３０内に収容され、ケース３０の少なくとも１つの開口した面側が、熱硬化性樹脂を含む硬化性組成物の硬化物５３で封口されている。
【００２０】
［背景技術］の項で挙げた特許文献１では、複数のセパレータ部材と複数の電極部材とを含む多数の部材を積み重ねて燃料電池スタックを製造しているため、各部材の配置のずれが積み上がり、スタック全体の寸法精度を高めることが難しい。
本実施形態の製造方法では、少なくとも１面が開口したケース、好ましくは少なくとも底面部と互いに対向する２つの側面部とを有し、少なくとも１面が開口したケース内に、複数のセパレータ部材１２と複数の膜−電極接合体２０とを１つずつ交互に配置するので、これらの位置決めがしやすく、これらの配置のずれが抑制され、スタック全体の寸法精度を向上することができる。
【００２１】
［背景技術］の項で挙げた特許文献１では、個々の膜−電極接合体を２枚のシール部材で挟んでいるため、燃料電池スタックに用いる膜−電極接合体の数に応じて、多数のシール部材を用意する必要がある。そのため、用いる部材の数が多く、その分製造工程も多く複雑となり、製造設備も複雑になる。また、燃料電池スタックの容量（サイズ）またはセパレータ部材の形状が異なれば、異なるサイズまたは形状のシール部材を新たに設計し、用意する必要があるため、燃料電池スタックの仕様変更に対して容易に対応できない。
本実施形態の製造方法では、シール部材を用いずに、最終的に液状の硬化性組成物５２を用いてケースを封口するだけで、すべてのセパレータ部材１２と膜−電極接合体２０とを一括して接着固定することができる。本実施形態の製造方法では、多数のシール部材が不要であるので、用いる部材の数が少なく、製造工程も少なく簡略化され、製造設備も簡略化できる。燃料電池スタックの容量（サイズ）またはセパレータ部材の形状の変更にも容易に対応可能である。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態によれば、スタック全体の寸法精度を向上することができ、簡易なプロセスで低コストに製造することが可能な燃料電池スタックの製造方法を提供することができる。
【００２３】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  燃料電池スタック
１１  金属板
１２  セパレータ部材
１２Ａ  アノード側セパレータ
１２Ｃ  カソード側セパレータ
２０  膜−電極接合体
２１  アノード電極
２２  電解質膜
２３  カソード電極
３０、３０Ａ、３０Ｂ  ケース
５２  硬化性組成物
５３  硬化物
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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