(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを構成する単セルごとの発電性能の不均一性を改善する技術を提供する。【解決手段】セパレータＳＰを構成する２つのプレートＳＰｃ、ＳＰａで、塑性を有するフレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆを挟持して熱圧着する単セル１０の製造工程において、熱圧着前の仮組みされた単セル１０のカソード電極側に高圧空気を流入して、その圧力損失を計測する。圧力損失が所定の範囲におさまるように、仮組みされた単セル１０に加える荷重を調整しつつ、単セル１０を熱圧着する。この工程に従って製造された圧力損失の差が低減された単セル群を積層することによって燃料電池スタック１００を構成する。【選択図】図７
2008130228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を構成する発電モジュールである単セルの製造方法であって、
（ａ）セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持して仮組みを行った単セルを準備する工程と、
（ｂ）前記単セルに、流入ガスの供給及び排出を行い、前記単セルの流入ガス圧力損失を計測する工程と、
（ｃ）前記単セルの流入ガス圧力損失が所定の範囲内となるように前記単セルに荷重を加えつつ、前記膜電極接合体と前記プレートとを接合する工程と、
を備えることを特徴とする、製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法であって、
前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、
前記ガス拡散層は、前記工程（ｃ）において前記単セルに加えられる荷重に応じて厚みが変化する、製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法であって、
前記セパレータは、ガス流路を有しており、
前記工程（ｃ）において、前記単セルに加えられる荷重に応じて前記膜電極接合体の一部が前記ガス流路に侵入することによって前記ガス流路の実効的な流路断面積が変化する、製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３に記載の製造方法であって、
前記流入ガスは、酸化ガスである、製造方法。
【請求項５】
燃料電池スタックの製造方法であって、
請求項１ないし請求項４に記載の製造方法に従って複数の単セルを製造する工程と、
（ｄ）前記複数の単セルを積層して燃料電池スタックを組み付ける工程と、
を備える、製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の製造方法であって、
前記工程（ｃ）において前記単セルに加える荷重は、前記工程（ｄ）において前記燃料電池スタックに加えられる締結荷重よりも大きい、製造方法。
【請求項７】
燃料電池スタックであって、
セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持した複数の単セルを備え、
前記複数の単セルは、各単セルへの流入ガスの圧力損失が所定の範囲内となるように、各単セルごとの厚みが調整されていることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池スタックであって、
前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、
前記単セルは、前記ガス拡散層の厚みによって前記圧力損失が調整されている、燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、ガス流路を有しており、
前記単セルは、前記膜電極接合体の一部を前記ガス流路に侵入させる量によって前記圧力損失が調整されている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、発電モジュールである単セルを積層した燃料電池スタックとして構成される。しかし、燃料電池スタック内の単セルごとの発電性能の差が顕著である場合には、燃料電池スタック全体としての発電効率が低下してしまうおそれがあった。これまでこうした問題に対して種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０８１６１
【特許文献２】特開２００３−１５１６０４
【０００４】
例えば特許文献１では、燃料電池スタックの発電中に単セルごとのセル電圧を測定して、その標準偏差を求め、その標準偏差が小さくなるように燃料電池スタックへ供給されるガス流量や負荷電流などを制御する技術が提案されている。しかし、この技術では、セル電圧の標準偏差をある程度抑制することができたとしても、単セルごとの発電性能の差は解消されていない。
【０００５】
また、特許文献２では、単セルを燃料電池スタックに組み付ける前に、供給される酸化ガスの圧力損失を単セルごとに測定し、同程度の圧力損失が生じる単セル同士を組み合わせて燃料電池スタックを構成する技術が提案されている。この方法によれば、同一の燃料電池スタック内における単セルごとの発電性能の差を抑制することは可能であるが、燃料電池スタックごとの発電性能に差が生じてしまう可能性がある。
【０００６】
このように、従来は、燃料電池スタックの単セルごとの発電性能の差を低減することに対しては、十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックを構成する単セルごとの発電性能の不均一性を改善する技術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】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を構成する発電モジュールである単セルの製造方法であって、（ａ）セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持して仮組みを行った単セルを準備する工程と、（ｂ）前記単セルに、流入ガスの供給及び排出を行い、前記単セルの流入ガス圧力損失を計測する工程と、（ｃ）前記単セルの流入ガス圧力損失が所定の範囲内となるように前記単セルに荷重を加えつつ、前記膜電極接合体と前記プレートとを接合する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この方法によれば、単セルごとの圧力損失の差を小さくすることができ、圧力損失の差によって生じていた単セルごとの発電性能の不均一性（ばらつき）を改善できる。
【００１０】
前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、前記ガス拡散層は、前記工程（ｃ）において前記単セルに加えられる荷重に応じて厚みが変化するものとしても良い。
【００１１】
この方法によれば、工程（ｃ）において単セルに加える荷重によって単セルのガス拡散層の厚みが変化し、それによって単セルの圧力損失を調整することができる。
【００１２】
前記セパレータは、ガス流路を有しており、前記工程（ｃ）において、前記単セルに加えられる荷重に応じて前記膜電極接合体の一部が侵入することによって前記ガス流路の実効的な流路断面積が変化するものとしても良い。
【００１３】
この方法によれば、工程（ｃ）において単セルに荷重を加えることによって、セパレータに設けられたガス流路に膜電極接合体の一部を侵入させて、ガス流路の実効的な断面積を変化させることができ、それによって単セルの圧力損失を調整することができる。
【００１４】
前記流入ガスは、酸化ガスであるものとしても良い。
【００１５】
この方法によれば、単セルごとの発電性能の差に与える影響が特に大きいカソード電極層側に供給される酸化ガスの圧力損失の差を低減することができる。
【００１６】
本発明は、上記製造方法に従って複数の単セルを製造する工程と、（ｄ）前記複数の単セルを積層して燃料電池スタックを組み付ける工程とを備えるものとしても良い。
【００１７】
この方法によれば、単セルごとの発電性能の差が所定の範囲内にある燃料電池スタックを製造することができる。
【００１８】
前記工程（ｃ）において加える前記単セルに加える荷重は、前記工程（ｄ）において前記燃料電池スタックに加えられる締結荷重よりも大きいものとしても良い。
【００１９】
この方法によれば、燃料電池スタックを構成する際に加えられる締結荷重によって、各単セルの圧力損失が変化する可能性を低減できる。
【００２０】
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、本発明の製造方法によって製造された単セル、その単セルを備えた燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。本実施例における燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、燃料ガスとしては水素が供給され、酸化ガスとしては酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池スタックとしては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００２２】
燃料電池スタック１００は、後述する発電モジュールである単セル１０を積層したスタック構造を有している。積層された単セル群であるセルスタック４０は、エンドプレート２０によって挟持され、締結部材３０によって荷重を受けて締結される。
【００２３】
図１（Ｂ）は、単セル１０の構成を示す概略図である。単セル１０は、後述するフレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆとセパレータＳＰとを備えている。セパレータＳＰは、後述するアノードプレートＳＰａとカソードプレートＳＰｃによって構成される２層式セパレータである。単セル１０は、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆが、２つのセパレータＳＰのうちの一方のカソードプレートＳＰｃと他方のアノードプレートＳＰａに挟持されることによって構成されている。即ち、単セル１０が積層されたセルスタック４０は、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆとセパレータＳＰとが交互に積層された構造となる。
【００２４】
図２（Ａ）は、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆの構成を示す概略図である。フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆは、燃料電池反応が行われる発電部１１と、それを囲む外周枠であるフレーム部１２により構成される。フレーム部１２には各単セルに対して水素、空気、冷媒などの供給及び排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。具体的には以下の構成となる。
【００２５】
マニホールド孔Ｍ１は水素の供給を担い、マニホールド孔Ｍ２は反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ３は空気の供給を担い、マニホールド孔Ｍ４は反応に供されることのなかった酸素や、反応によって生成した水分などを含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、発電によって生じた燃料電池スタック１００の熱を冷却するための冷媒（水）の供給、排出を担う。供給用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５は、それぞれ対応する排出用マニホールド孔Ｍ２、Ｍ４、Ｍ６と発電部１１を挟んで対向する位置に設けられている。なお、マニホールド孔は、他の構成・配置であっても良い。
【００２６】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における断面を示す断面図である。発電部１１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１３が含まれる。電解質膜１３は、カソード電極層１４ｃとアノード電極層１４ａとで挟持されて膜電極接合体ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成する。２つの電極層１４ｃ、１４ａにはそれぞれ燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層（図示せず）が設けられている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。
【００２７】
膜電極接合体ＭＥＡの２つの電極層１４ｃ、１４ａの電解質膜１３と接しない外面には、水素及び空気を電極層１４ｃ、１４ａの全体に行き渡らせるためのガス拡散層１５ｃ、１５ａが設けられている。ガス拡散層１５ｃ、１５ａとしては、カーボンや、焼結金属などの多孔体で構成することができる。また、ガス拡散層１５ｃ、１５ａは、エキスパンドメタルによって構成することもできる。ここで、エキスパンドメタルとは、厚み０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス等の金属板に千鳥状の切れ目を設け、その切れ目を挟んだ面同士を交互に反対方向へと押し広げることによって、孔径０．１ｍｍ〜１ｍｍの多数の貫通孔が段上の網目として形成されたものである。
【００２８】
フレーム部１２は、２枚の樹脂フレーム１２ｆが接着層１２ｇによって接合された構成を有している。樹脂フレーム１２ｆとしては、フェノール樹脂などを採用できる。ところで、膜電極接合体ＭＥＡの電解質膜１３は、電極層１４ｃ、１４ａの外周縁から突出した部位である外周端部１３ｅを有している。その外周端部１３ｅが、フレーム部１２の樹脂フレーム１２ｆの内周縁で挟持された状態で接着層１２ｇによって保持されることによって、膜電極接合体ＭＥＡとフレーム部１２とは一体化されている。なお、この外周端部１３ｅによって、燃料電池の発電の際に水素が反応に供されることなくカソード側に移動してしまうクロスリークの発生の可能性が低減されている。
【００２９】
図３（Ａ）は、セパレータＳＰを構成するアノードプレートＳＰａを示す概略図であり、図３（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、図３（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断と、Ｃ−Ｃ切断と、Ｄ−Ｄ切断における断面図を示している。アノードプレートＳＰａは、導電性を有する薄い金属板で構成することができる。アノードプレートＳＰａは、単セル１０として組み付けられた際に、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆのアノード電極層１４ａ側のガス拡散層１５ａを被覆する。
【００３０】
アノードプレートＳＰａには、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆと同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。水素供給用マニホールド孔Ｍ１の近傍には水素を単セル１０のガス拡散層１５ａに誘導するための貫通孔である流入孔Ｐ１が設けられている。また、水素排出用マニホールド孔Ｍ２の近傍には、ガス拡散層１５ａからアノード排ガスを外部へ誘導するための貫通孔である流出孔Ｐ２が設けられている。具体的な水素の流れについては後述する。
【００３１】
図４（Ａ）は、セパレータＳＰを構成するカソードプレートＳＰｃを示す概略図であり、図４（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、図４（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断と、Ｃ−Ｃ切断と、Ｄ−Ｄ切断における断面図を示している。カソードプレートＳＰｃは、導電性を有する薄い金属板で構成することができる。カソードプレートＳＰｃは、単セル１０として組み付けられた際に、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆのカソード電極層１４ｃ側のガス拡散層１５ｃを被覆する。
【００３２】
カソードプレートＳＰｃには、アノードプレートＳＰａと同様にマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。また、カソードプレートＳＰｃには、セパレータＳＰとして組み付けられた際にアノードプレートＳＰａと接する面に、厚みが薄く加工された薄肉部位ＡＰ、ＣＰ、ＷＰが設けられている。即ち、セパレータＳＰとして組み付けられたとき、これらの薄肉部位ＡＰ、ＣＰ、ＷＰが、アノードプレートＳＰａとともに、アノード流路ＡＰと、カソード流路ＣＰと、冷媒流路ＷＰとを形成する。
【００３３】
２つのアノード流路ＡＰはそれぞれ、水素用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２に連通するように設けられており、アノードプレートＳＰａの流入孔Ｐ１、流出孔Ｐ２と連通する。２つのカソード流路ＣＰはそれぞれ、空気用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ５に連通する。空気供給用マニホールド孔Ｍ３に連通するカソード流路ＣＰには、ガス拡散層１５ｃに空気を誘導するための貫通孔である流入孔Ｐ３が設けられている。空気排出用マニホールド孔Ｍ４に連通するカソード流路ＣＰには、ガス拡散層１５ｃから外部へカソード排ガスを誘導するための貫通孔である流出孔Ｐ４が設けられている。冷媒流路ＷＰは、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５と冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６とを連通しており、単セル１０として組み付けた際に、冷媒が、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆの発電部１１（図２）の全体を冷却できるように設けられている。
【００３４】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、燃料電池スタック１００として発電を行う際の、単セル１０における流体（アノードガス及びカソードガス、冷媒）の流れを説明するための説明図である。なお、本明細書中において「アノードガス」と呼ぶときは、アノード電極層に供給される燃料ガスとアノード排ガスの両方を意味するものとする。また、同様に、「カソードガス」と呼ぶときは、カソード電極層に供給される酸化ガスとカソード排ガスの両方を意味するものとする。
【００３５】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、セルスタック４０（図１）の任意の単セル１０の各マニホールド孔における断面を示しておいる。具体的には、図５（Ａ）はマニホールド孔Ｍ１、Ｍ３における断面であり、図５（Ｂ）はマニホールド孔Ｍ５、Ｍ６における断面であり、図５（Ｃ）はマニホールド孔Ｍ２、Ｍ４における断面である。なお、各図には、隣接する単セルのアノードプレートＳＰａ及びカソードプレートＳＰｃも図示されている。
【００３６】
まず、アノードガスの流れを説明する。図５（Ａ）において矢印で示すように、水素供給用マニホールド孔Ｍ１に供給された水素の一部は、カソードプレートＳＰｃに設けられたアノード流路ＡＰを経て、アノードプレートＳＰａに設けられた流入孔Ｐ１よりガス拡散層１５ａへと至る。アノード排ガスは、図５（Ｃ）の矢印に示すように、アノードプレートＳＰａに設けられた流出孔Ｐ２からカソードプレートＳＰｃに設けられたカソード流路ＣＰへと流れて水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至り、燃料電池スタック１００の外部へと排出される。
【００３７】
次に、カソードガスの流れを説明する。図５（Ａ）において矢印で示すように、空気供給用マニホールド孔Ｍ３に供給された空気の一部は、カソードプレートＳＰｃに設けられたカソード流路ＣＰを経て、流入孔Ｐ３よりガス拡散層１５ｃへと至る。カソード排ガスは、図５（Ｃ）の矢印に示すように、ガス拡散層１５ｃからカソードプレートＳＰｃに設けられた流出孔Ｐ４とカソードプレートＳＰｃに設けられたカソード流路ＣＰとを経て空気排出用マニホールド孔Ｍ４へと至り、燃料電池スタック１００の外部へと排出される。
【００３８】
次に、冷媒の流れを説明する。図５（Ｂ）において矢印で示すように、冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５に供給された冷媒の一部は、カソードプレートＳＰｃに設けられた冷媒流路ＷＰへと流入する。冷媒は、燃料電池反応によって発生した熱とともに冷媒流路ＷＰからそのまま冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと至り、燃料電池スタック１００の外部へと排出される。
【００３９】
上記構成により、燃料電池スタック１００は各単セル１０ごとに発電し、発生した電気はセパレータＳＰによって集電され、燃料電池スタック１００全体としての電力が得られる。一般に、このような燃料電池スタックでは、各単セルごとの発電性能の差が顕著な場合には、燃料電池スタック全体としての発電効率は低下してしまう。そうした単セルの発電性能の差は多くの場合、その製造工程における誤差の発生によって生じているものと考えられる。そこで、以下に本発明の実施例として、単セル１０の発電性能の差を低減できる単セル１０及び燃料電池スタック１００の製造方法を説明する。
【００４０】
Ｂ．単セル及び燃料電池スタックの製造方法：
図６は、本発明の実施例として単セル１０の製造に用いる単セル製造装置２００を示す説明図である。この単セル製造装置２００は、セパレータＳＰを構成する２つのプレートＳＰｃ、ＳＰａとフレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆとを圧着するための装置である。
【００４１】
単セル製造装置２００は、単セル１０のカソード側から荷重を加えるカソード圧着プレート２０１とアノード側から荷重を加えるアノード圧着プレート２０２とを備えている。また、２つの圧着プレート２０１、２０２にはそれぞれ、単セル１０を挟持した状態で単セル１０に熱を加えることができるようにヒーター２０５が設けられている。また、カソード圧着プレート２０１には、単セル１０と接する面に、アノードプレートＳＰａと同様の構成を有する隣接アノードプレートＳＰａｎが備えられている。同様に、アノード圧着プレート２０２には、単セル１０と接する面に、カソードプレートＳＰｃと同様の構成を有する隣接カソードプレートＳＰｃｎが備えられている。
【００４２】
単セル製造装置２００には、仮組みされた単セル１０がセットされる。ここで、仮組みされた単セル１０とは、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆが、カソードプレートＳＰｃとアノードプレートＳＰａとで挟持されてはいるが、未だ接合されていない状態のものを言う。なお、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆは、フレーム部１２の樹脂フレーム１２ｆが接着層１２ｇによって既に接着された状態であるものとしても良いし、この工程において接着されるものとしても良い。
【００４３】
図７は、単セル１０が２つの圧着プレート２０１、２０２及び２つの隣接プレートＳＰａｎ、ＳＰｃｎによって挟持された状態を示している。このとき、カソードプレートＳＰｃは、隣接アノードプレートＳＰａｎとともに第１の仮のセパレータＴＳ１を構成しており、アノードプレートＳＰａは、隣接カソードプレートＳＰｃｎとともに第２の仮のセパレータＴＳ２を構成している。従って、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆは、２つの仮のセパレータＴＳ１、ＴＳ２によって挟持された状態となる。
【００４４】
また、この状態において単セル１０の各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、２つの圧着プレート２０１、２０２によって塞がれた状態となる。ただし、カソード圧着プレート２０１には、この状態で単セル１０のカソード電極層側に高圧空気を流入させることができるように、空気用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ５に接続する空気流入路２０３及び空気流出路２０４が設けられている。
【００４５】
空気流入路２０３は、空気供給部２１０の空気供給配管２１１と接続される。空気供給部２１０の空気供給配管２１１には上流から、エアコンプレッサ２１２と、調圧バルブ２１４と、圧力メータ２１３とが設けられている。また、空気流出路２０４は、空気排出部２２０の空気排出配管２２１と接続される。空気排出部２２０の空気排出配管２２１には上流から、圧力メータ２２２と、調圧バルブ２２３とが設けられている。なお、空気供給部２１０及び空気排出部２２０は、単セル製造装置２００に仮組みされた単セル１０が挟持される前からカソード圧着プレート２０１に接続されているものとしても良い。
【００４６】
このような構成とすることによって、この単セル製造装置２００では、セパレータＳＰとフレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆとを接合するときに、単セル１０に高圧空気を流入することができる。従って、圧力メータ２１３、２２２によって、その流入させた高圧空気の圧力損失を計測することができる。なお、「単セルの圧力損失」と言うときは、当該単セルに流入した気体の圧力損失のことを意味するものとする。
【００４７】
一般に単セルの発電性能は、単セルに流入する燃料ガス及び酸化ガスの圧力損失によって異なってくる。この理由は、セルスタック中では、圧力損失が大きい単セルほど、供給されるガスの流入量が減少してしまうためである。従って、単セルの製造工程において、各単セルの圧力損失の大きさを所定の範囲となるように調整することによって、各単セルごとの発電性能の差を少なくし、燃料電池スタックの発電効率を向上することができる。
【００４８】
図８（Ａ）は、単セル製造装置２００によって単セル１０に加えられる荷重と単セル１０の厚みとの関係を示すグラフである。このグラフからも解るように、セル製造装置２００によって加えられた荷重に応じて単セルの厚みは薄くなる。これは、単セル１０の構成部材のうち、主にガス拡散層１５ａ、１５ｃの厚みが、荷重によって薄くなるためである。
【００４９】
図８（Ｂ）は、単セル製造装置２００によって単セル１０に加えられる荷重と単セル１０の圧力損失との関係を示すグラフである。このグラフからも解るように、単セル１０に加えられる荷重が大きいほど、単セル１０の圧力損失が大きくなる傾向にある。これは、単セル１０に加重が加えられガス拡散層１５ａ、１５ｃの厚みが薄くなると、ガス拡散層１５ａ、１５ｃ中の流体の流路が圧迫されて流体に対する抵抗が増加するため、単セル１０の圧力損失が増加するものと考えられる。
【００５０】
そこで、本実施例の単セル製造装置２００では、圧力損失が所定の範囲に収まるように単セル１０に加える荷重を調整することによって、単セル１０の厚みを調整し、各単セル間の圧力損失の差を低減する。具体的には、以下の手順で行う。
【００５１】
単セル１０には、高圧空気を流入しても各部材の接触面から空気の漏れが発生しない程度の初期荷重を単セル製造装置２００によって加えておき、単セル１０に高圧空気を流入して圧力損失を計測する。予め実験などで得た図８（Ｂ）のグラフに示すような圧力損失と荷重との関係から、所望の圧力損失を得るために初期荷重に対してさらに加えるべき荷重を得る。これによって得た荷重を加えて、再び圧力損失を計測する。この工程を繰り返して圧力損失を調整することができる。
【００５２】
所望の圧力損失が得られたときは、ヒーター２０５によって単セル１０を加熱する。このとき、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆのフレーム部１２と各プレートＳＰａ、ＳＰｃとは接着面ＣＳにおいて熱融着される。なお、ガス拡散層１５ａ、１５ｃは、荷重が加えられてその厚みが変化した場合に、その後、当該荷重を受けていない状態におかれても、当該変化後の厚みを保持する性質（塑性）を有することが好ましい。このようにすれば、単セル製造装置２００による接着工程の後、単セル１０の圧力損失が変化することを防ぐことが出来る。
【００５３】
このように製造した単セル群を図１に示すように燃料電池スタック１００として組み付けることによって、従来の燃料電池スタックよりも発電効率の高い燃料電池スタックを得ることができる。なお、燃料電池スタック１００として組み付ける際に、締結部材３０によってセルスタックに加えられる締結荷重は、単セル製造装置２００によって各単セルに加えられた荷重のうち最も小さい荷重より小さくすることが好ましい。このようにすれば、燃料電池スタックとして単セル１０が組み付けられた際に、単セル１０の圧力損失が、締結部材３０から受ける締結荷重によって変化してしまうことを抑制できる。従って、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制できる。
【００５４】
Ｃ．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。
【００５５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例において、セパレータＳＰは２枚のプレートＳＰａ、ＳＰｃによって構成される２層式セパレータであったが、セパレータＳＰとしては２層式のものでなくとも良い。例えば、アノードプレートとカソードプレートとの間に中間プレートを有する３層式セパレータであっても良い。また、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆは、フレーム部１２に替えてシールガスケットなどのシール部材を膜電極接合体ＭＥＡの外周縁に成形したシール一体型膜電極接合体としても良い。
【００５６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例のセパレータＳＰに代えて、膜電極接合体ＭＥＡｆと接する面に溝状のガス流路が設けられているセパレータを採用するものとしても良い。この場合には、単セル製造装置２００によって単セルに加えられる荷重に応じて膜電極接合体ＭＥＡｆの一部（例えばガス拡散層１５ａ、１５ｃ）がガス流路に侵入するため、ガス流路における実効的な流路断面積が減少し、圧力損失が増加する。従って、この構成によっても単セルの圧力損失を調整することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。なお、この場合には、膜電極接合体ＭＥＡｆにはガス拡散層１５ａ、１５ｃが設けられていなくとも良い。
【００５７】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例において、カソードガスの圧力損失を計測して単セル１０に加える荷重を調整していたが、アノードガスの圧力損失を計測するものとしても良い。ただし、水素は反応速度が速いため、水素の供給量の差（圧力損失の差）によって発電性能の差は生じにくい。一方、上記実施例のように空気を酸化ガスとして用いている場合には、空気中では酸素濃度が低い（約２０％程度）ため、その供給量の差によって発電性能の差は生じやすい。また、カソードガスの圧力によってカソード電極側の排水性を向上しているような場合には、圧力損失によってカソードガスの流速が低下すると、カソード電極側が水分過多となる、いわゆるフラッディングが発生し、発電性能が低下する。即ち、この場合にも圧力損失の差による発電性能の差は生じやすい。従って、上記実施例のようにカソードガスの圧力損失を計測する方が好ましい。
【００５８】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例において、フレーム一体型膜電極接合体ＭＥＡｆと２つのプレートＳＰａ、ＳＰｃとは熱圧着されていたが、熱圧着以外の方法で接合されるものとしても良い。例えば、接着剤を用いて接合されるものとしても良い。この場合には、単セル製造装置２００にはヒーター２０５がなくとも良い。
【００５９】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例において、ガス拡散層１５ａ、１５ｃを塑性を有しない部材で構成するものとしても良く、単セル１０が全体として、荷重を受けることによって単セル１０の圧力損失が変化するように構成されているものとしても良い。例えば、単セル１０に荷重を加えることによって、セパレータＳＰに設けられたカソード流路の断面積が減少して圧力損失が増加するような構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】燃料電池スタック及び単セルの構成を示す概略図。
【図２】フレーム一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】セパレータを構成するアノードプレートの構成を示す概略図。
【図４】セパレータを構成するカソードプレートの構成を示す概略図。
【図５】単セルにおける流体の流れを説明するための概略図。
【図６】単セル製造装置を説明するための説明図。
【図７】単セル製造装置を説明するための説明図。
【図８】単セルに加えられる荷重と単セルの厚みとの関係を示すグラフと、単セルに加えられる荷重と単セルの圧力損失との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６１】
１０…単セル
１１…発電部
１２…フレーム部
１２ｆ…樹脂フレーム
１２ｇ…接着層
１３…電解質膜
１３ｅ…外周端部
１４ａ…アノード電極層
１４ｃ…カソード電極層
１５ａ、１５ｃ…ガス拡散層
２０…エンドプレート
３０…締結部材
４０…セルスタック
１００…燃料電池スタック
２００…単セル製造装置
２０１…カソード圧着プレート
２０２…アノード圧着プレート
２０３…空気流入路
２０４…空気流出路
２０５…ヒーター
２１０…空気供給部
２１１…空気供給配管
２１２…エアコンプレッサ
２１３…圧力メータ
２１４…調圧バルブ
２２０…空気排出部
２２１…空気排出配管
２２２…圧力メータ
２２３…調圧バルブ
ＡＰ…アノード流路
ＣＰ…カソード流路
ＣＳ…接着面
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＭＥＡ…膜電極接合体
ＭＥＡｆ…フレーム一体型膜電極接合体
Ｐ１、Ｐ３…流入孔
Ｐ２、Ｐ４…流出孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノードプレート
ＳＰａｎ…隣接アノードプレート
ＳＰｃ…カソードプレート
ＳＰｃｎ…隣接カソードプレート
ＴＳ１、ＴＳ２…仮のセパレータ
ＷＰ…冷媒流路
【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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【図７】
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【図８】
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