(57)【要約】【課題】燃料電池において、外部から衝撃を受けた場合に発電部構成部材が破損することを抑制する技術を提供すること。【解決手段】複数のセパレータを備える燃料電池の製造方法であって、（Ａ）各セパレータの端面に、端面から、セパレータの厚さ方向に略垂直な面に沿った方向に伸びる凸部を形成する工程と、（Ｂ）各セパレータにおいて、凸部が形成された端面が同一方向を向くように、各セパレータを積層する工程と、（Ｃ）積層後、各セパレータの凸部に、それぞれ端面に略平行な平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように平面を形成する工程と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセパレータを備える燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）各セパレータの端面に、該端面から、前記セパレータの厚さ方向に略垂直な面に沿った方向に伸びる凸部を形成する工程と、
（Ｂ）各セパレータにおいて、前記凸部が形成された前記端面が同一方向を向くように、各セパレータを積層する工程と、
（Ｃ）積層後、各セパレータの前記凸部に、それぞれ前記端面に略平行な平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、
前記工程（Ｃ）において、各セパレータの前記凸部を同時にそれぞれ押圧することにより、各セパレータの前記凸部にそれぞれ前記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、
前記工程（Ｃ）において、各セパレータの前記凸部の一部をそれぞれ切断することにより、各セパレータの前記凸部にそれぞれ前記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項４】
複数のセパレータを備える燃料電池であって、
各セパレータの端面に、該端面から前記セパレータの面に沿った方向に伸びるように形成されると共に、所定の平面が形成される平面構成部を備え、
各平面構成部の前記平面は、所定の同一平面上にそれぞれ配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
燃料電池の製造方法であって、
（Ａ）前記燃料電池のセパレータを形成するためのセパレータ形成部材を複数用意する工程と、
（Ｂ）各セパレータ形成部材を積層させつつ、各セパレータ形成部材間に、少なくとも膜電極接合体を含む発電部構成部材を挟持させる工程と、
（Ｃ）積層後、各セパレータ形成部材を、それぞれ前記発電部構成部材の周縁に沿って切断する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセパレータを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池では、例えば、膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ぶ）を含む部材（以下では、発電部構成部材とも呼ぶ）と、セパレータとをそれぞれ用意し、例えば、それらを交互に積層して形成される（特許文献１参照）。なお、ＭＥＡは、電解質膜と、その両面に形成されるアノードおよびカソードと、を少なくとも備える。また、以下では、セパレータの厚さ方向に直交し、セパレータの面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８８６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記燃料電池の各セパレータは、製造時の寸法誤差や積層時の組み付け誤差などによって、積層後、端面が同一平面上に配置されず、すなわち、所定のセパレータの端面が他のセパレータの端面と比較して、面方向に突出するおそれがあった。ここで、端面が突出したセパレータを突出セパレータとも呼ぶ。そうすると、例えば、燃料電池が外部から衝撃を受けた場合において、突出セパレータは、面方向に対して他のセパレータより大きな押圧力を受け、それに伴い、突出セパレータと、それに隣接する発電部構成部材との間にせん断力が生じ、発電部構成部材が破損するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池において、外部から衝撃を受けた場合に発電部構成部材が破損することを抑制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】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]複数のセパレータを備える燃料電池の製造方法であって、（Ａ）各セパレータの端面に、該端面から、前記セパレータの厚さ方向に略垂直な面に沿った方向に伸びる凸部を形成する工程と、（Ｂ）各セパレータにおいて、前記凸部が形成された前記端面が同一方向を向くように、各セパレータを積層する工程と、（Ｃ）積層後、各セパレータの前記凸部に、それぞれ前記端面に略平行な平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成する工程と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池の製造方法によって製造した燃料電池によれば、例えば、燃料電池に対して、面方向に外部から衝撃があった場合において、所定のセパレータが面方向から集中的に衝撃を受けることを抑制することができ、所定のセパレータに隣接する発電部構成部材がそのセパレータからせん断力を受けることを抑制することができる。その結果、発電部構成部材が破損することを抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池の製造方法において、前記工程（Ｃ）において、各セパレータの前記凸部を同時にそれぞれ押圧することにより、各セパレータの前記凸部にそれぞれ前記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【００１０】
このように、各セパレータの凸部を同時にそれぞれ押圧することにより、各セパレータの凸部にそれぞれ上記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように該平面を形成するようにしてもよい。
【００１１】
［適用例３］適用例１記載の燃料電池の製造方法において、前記工程（Ｃ）において、各セパレータの前記凸部の一部をそれぞれ切断することにより、各セパレータの前記凸部にそれぞれ前記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように前記平面を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【００１２】
このように、各セパレータの凸部をそれぞれ切断することにより、各セパレータの凸部にそれぞれ上記平面を形成すると共に、各平面が同一平面上に配置されるように上記平面を形成するようにしてもよい。
【００１３】
［適用例４］複数のセパレータを備える燃料電池であって、各セパレータの端面に、該端面から前記セパレータの面に沿った方向に伸びるように形成されると共に、所定の平面が形成される平面構成部を備え、各平面構成部の前記平面は、所定の同一平面上にそれぞれ配置されることを要旨とする。
【００１４】
上記構成の燃料電池によれば、例えば、燃料電池に対して、面方向に外部から衝撃があった場合において、所定のセパレータが面方向から集中的に衝撃を受けることを抑制することができ、所定のセパレータに隣接する発電部構成部材がそのセパレータからせん断力を受けることを抑制することができる。その結果、発電部構成部材が破損することを抑制することができる。
【００１５】
[適用例５] 燃料電池の製造方法であって、（Ａ）前記燃料電池のセパレータを形成するためのセパレータ形成部材を複数用意する工程と、（Ｂ）各セパレータ形成部材を積層させつつ、各セパレータ形成部材間に、少なくとも膜電極接合体を含む発電部構成部材を挟持させる工程と、（Ｃ）積層後、各セパレータ形成部材を、それぞれ前記発電部構成部材の周縁に沿って切断する工程と、を備えることを要旨とする。
【００１６】
上記構成の燃料電池の製造方法によって製造した燃料電池によれば、例えば、燃料電池に対して、面方向に外部から衝撃があった場合において、所定のセパレータが面方向から集中的に衝撃を受けることを抑制することができ、所定のセパレータに隣接する発電部構成部材がそのセパレータからせん断力を受けることを抑制することができる。その結果、発電部構成部材が破損することを抑制することができる。
【００１７】
なお、本発明は、上記した燃料電池の製造方法の他、セパレータの積層方法などの他の方法発明の態様として実現することも可能である。また、方法発明としての態様に限ることなく、上記した燃料電池などの装置発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１０の構成：
図１は、本発明における燃料電池の製造方法で製造される燃料電池１０の断面を示す説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、電気化学反応によって発電する。具体的には、燃料ガスとして水素が供給され、酸化ガスとして酸素を含有する圧縮空気が供給される。燃料電池１０は、積層体２０と、エンドプレート２１と、締結部材２３と、緩衝材８０と、本実施例の特徴部分である平面構成部材１００とを備える。平面構成部材１００についての詳細は、後述する。積層体２０は、シール一体セルアセンブリＡＳＳＹと、セパレータＳＰと、を交互に複数積層することによって構成される。締結部材２３は、エンドプレート２１に締結されており、積層体２０に対して積層方向に荷重を掛けた状態で構成されている。また、緩衝材８０は、締結部材２３と積層体２０のセパレータＳＰとの間に設けられる絶縁性を有した衝撃緩和材である。
【００１９】
積層体２０と、エンドプレート２１には、水素、圧縮空気、冷媒などの供給および排出を行うためのマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。なお、以下では、水素供給用マニホールドＭ１、水素排出用マニホールドＭ２を形成する貫通孔をそれぞれ貫通孔５３、貫通孔５４とも呼ぶ。空気供給用マニホールドＭ３、空気排出用マニホールドＭ４を形成する貫通孔をそれぞれ貫通孔５１、貫通孔５２とも呼ぶ。冷媒供給用マニホールドＭ５、冷媒排出用マニホールドＭ６を形成する貫通孔をそれぞれ貫通孔５５、貫通孔５６とも呼ぶ。図１では、空気供給用マニホールドＭ３と、空気排出用マニホールドＭ４とを形成する貫通孔５１，５２が示されている。他のマニホールドおよび貫通孔については、後述する。
【００２０】
図２は、燃料電池１０における積層体２０の詳細な構成を示す説明図である。シール一体セルアセンブリＡＳＳＹは、発電体７１と、シール部７２と、によって構成されている。発電体７１は、ＭＥＡ７３と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって構成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層触媒７５（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。これらセパレータＳＰを構成する３枚のプレートは、金属製の略四角形平面の薄板である。なお、以下では、セパレータＳＰを構成する３枚のプレートにおいて、プレートの厚さ方向に平行な表面を端面Ｒとも呼ぶ。また、セパレータＳＰおよびシール一体セルアセンブリＡＳＳＹが積層される方向を積層方向とも呼ぶ。さらに、積層方向と直交し、セパレータＳＰの面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００２１】
図３は、カソード側プレートＳＰｃの構成を示す平面図である。カソード側プレートＳＰｃには、マニホールドＭ１〜Ｍ６を形成する貫通孔５１〜５６と、空気供給口Ｐ３と、空気排出口Ｐ４と、が形成される。空気供給口Ｐ３および空気排出口Ｐ４は、カソード側のガス流路形成部７８と連通している（図２参照）。
【００２２】
図４は、アノード側プレートＳＰａの構成を示す平面図である。アノード側プレートＳＰａには、マニホールドＭ１〜Ｍ６を形成する貫通孔５１〜５６と、水素供給口Ｐ１と、水素排出口Ｐ２と、が形成されている。水素供給口Ｐ１および水素排出口Ｐ２は、アノード側のガス流路形成部７９と連通している。
【００２３】
図５は、中間プレートＳＰｉの構成を示す平面図である。中間プレートＳＰｉには、マニホールドＭ１〜Ｍ６を形成する貫通孔５１〜５６と、マニホールドＭ１〜Ｍ４にそれぞれ連通している連通孔Ｃ１〜Ｃ４と、冷媒流路を形成する貫通孔ＣＰと、が形成されている。連通孔Ｃ１〜Ｃ４は、カソード側プレートＳＰｃと、中間プレートＳＰｉと、アノード側プレートＳＰａと、を積層させた場合に、それぞれ供給口又は排出口Ｐ１〜Ｐ４に連通する構成となっている（図２参照）。
【００２４】
図２に示すように、酸化ガスとして用いられる圧縮空気は、空気供給用マニホールドＭ３と、連通孔Ｃ３と、空気供給口Ｐ３と、ガス流路形成部７８と、ガス拡散層７６とを通過してＭＥＡ７３まで運ばれ、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されなかった空気は、各カソード側プレートＳＰｃに設けられた空気排出口Ｐ４から排出され、連通孔Ｃ４を通過し、空気排出用マニホールドＭ４から燃料電池１０の外へと流通する。
【００２５】
一方、燃料ガスとして用いられる水素は、水素供給用マニホールドＭ１と、連通孔Ｃ１と、水素供給口Ｐ１と、ガス流路形成部７９と、ガス拡散層７７とを通過してＭＥＡ７３まで運ばれ、電気化学反応に供される（図２〜図５参照）。電気化学反応に供されなかった水素は、各アノード側プレートＳＰａに設けられた水素排出口Ｐ２から排出され、連通孔Ｃ２を通過し、水素排出用マニホールドＭ２から燃料電池１０の外へと流通する（図４または図５参照）。
【００２６】
また、燃料電池の冷却に用いられる冷媒は、冷媒供給用マニホールドＭ５と、貫通孔ＣＰを通過することによって燃料電池を冷却する（図３〜図５参照）。冷却に用いられ温度が上昇した冷媒は、冷媒排出用マニホールドＭ６を通過し、燃料電池の外へと流通する（図３〜図５参照）。燃料電池の外へと流通した冷媒は冷却装置等（図示せず）によって冷却された後、再び冷媒供給用マニホールドＭ５に供給され、燃料電池１０の冷却に供される。
【００２７】
なお、図２〜図５に示すように、以下では、セパレータＳＰにおいて、端面Ｒは４面あり、それらの面を、それぞれ端面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と呼ぶ。
【００２８】
Ａ２．平面構成部材１００の説明：
本実施例の特徴部分である平面構成部材１００は、例えば、樹脂やゴムなどから構成され、図２〜図５に示すように、各セパレータＳＰの端面Ｒにそれぞれ形成される。具体的には、平面構成部材１００は、各セパレータＳＰの端面Ｒ（端面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）から面方向に伸びるようにそれぞれ形成される。また、平面構成部材１００は、セパレータＳＰの端面Ｒに平行な平面部Ｋを備えている。この平面部Ｋのうち、各セパレータＳＰの端面Ｒ１に平行な平面部Ｋを平面部Ｋ１と呼び、各セパレータＳＰの端面Ｒ２に平行な平面部Ｋを平面部Ｋ２と呼び、各セパレータＳＰの端面Ｒ３に平行な平面部Ｋを平面部Ｋ３と呼び、各セパレータＳＰの端面Ｒ４に平行な平面部Ｋを平面部Ｋ４と呼ぶ（図２〜図５参照）。
【００２９】
ところで、燃料電池１０では、図１または図２に示すように、各セパレータＳＰの製造時の寸法誤差や、燃料電池の積層時の組み付け誤差などによって、セパレータＳＰやシール一体セルアセンブリＡＳＳＹ等を積層した後において、各セパレータＳＰの端面Ｒが同一平面上に配置されていない。そこで、本実施例の燃料電池１０では、各平面構成部材１００において、セパレータＳＰ（端面Ｒ）からの高さをそれぞれ変えることによって、各平面構成部材１００の平面部Ｋ１〜Ｋ４が、４つの異なる平面上にそれぞれ配置されるように、各高さが設定されている。この場合、例えば、各平面部Ｋ１は、図１または図２に示すように、平面Ｑ１上に配置され、各平面部Ｋ２は、図１または図２に示すように、平面Ｑ２上に配置される。なお、図示を省略しているが、各平面部Ｋ３は、平面Ｑ３上に配置され、各平面部Ｋ４は、平面Ｑ４上に配置される。このようにすれば、例えば、燃料電池１０（積層体２０）に対して、面方向に外部から衝撃があった場合において、緩衝材８０を介して、所定のセパレータＳＰが面方向から端面Ｒに集中的に衝撃を受けることを抑制することができ、所定のセパレータＳＰに隣接するシール一体セルアセンブリＡＳＳＹがそのセパレータＳＰからせん断力を受けることを抑制することができる。その結果、シール一体セルアセンブリＡＳＳＹが破損することを抑制することができる。
【００３０】
なお、セパレータＳＰは、請求項におけるセパレータに該当し、平面構成部材１００は、請求項における平面構成部に該当する。
【００３１】
Ａ３．燃料電池１０の製造方法：
図６は、本実施例における燃料電池１０の製造方法を示すフローチャートである。図６に示す燃料電池１０の製造方法では、まず、上述の複数のセパレータＳＰと複数のシール一体セルアセンブリＡＳＳＹとを用意する（ステップＳ１０）。
【００３２】
次に、以下の図７に示すように、各セパレータＳＰの端面Ｒに、樹脂Ｇを形成する（ステップＳ２０）。図７は、セパレータＳＰの端面Ｒに樹脂Ｇが塗布された様子を示す図である。この図７は、セパレータＳＰをカソード側から見た図である。この図７に示すように、樹脂Ｇは、各セパレータＳＰの端面Ｒから面方向に伸びるように形成される。
【００３３】
続いて、以下の図８に示すように、樹脂Ｇが形成された各セパレータＳＰとシール一体セルアセンブリＡＳＳＹとを交互に積層して、積層体２０を形成する（ステップＳ３０）。図８は、樹脂Ｇを備える各セパレータＳＰを用いて形成された積層体２０を示す図である。
【００３４】
図９は、各セパレータＳＰに形成された樹脂Ｇをホットプレスする様子を示す図である。次に、平面部Ｙを備えるホットプレート２００を用いて、樹脂Ｇをホットプレスする（ステップＳ４０）。具体的には、各セパレータＳＰの各端面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に形成された樹脂Ｇを、各端面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に対してそれぞれ垂直方向からホットプレート２００の平面部Ｙを押し付けるようにしてホットプレスし、図２に示すような平面構成部材１００を形成する。このようにすれば、各平面構成部材１００の平面部Ｋ１〜Ｋ４を、４つの異なる平面（例えば、上記平面Ｑ１〜Ｑ４）上にそれぞれ配置することができる。なお、上記のようにホットプレスする場合には、各端面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に対して４方向（各垂直方向）から同時にホットプレスすることが望ましい。また、樹脂Ｇの代わりに、所定のゴムなどを用いてもよい。
【００３５】
その後、エンドプレート２１、緩衝材８０、締結部材２３などの構成部材を積層体２０に組み付けて燃料電池１０が完成する（ステップＳ５０）。なお、上記樹脂Ｇは、請求項における凸部に該当する。
【００３６】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００３７】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１０の製造方法では、各セパレータＳＰの端面に設けられた樹脂Ｇをホットプレート２００でホットプレスすることで、平面構成部材１００を形成するようにしていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、各セパレータＳＰの端面に設けられた樹脂Ｇを切断することで、平面構成部材１００を形成するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
Ｂ２．変形例２：
図１０は、変形例１の燃料電池１０Ａの製造方法を説明するための図である。上記燃料電池１０は、各平面構成部材１００の平面部Ｋ１〜Ｋ４が、４つの異なる平面上にそれぞれ配置されるように形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、積層体（以下では、積層体２０Ａと呼ぶ）において、各セパレータＳＰの端面Ｒが、それぞれ４つの異なる平面上にそれぞれ配置されるような燃料電池（以下では、燃料電池１０Ａと呼ぶ）を形成するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０Ａは、上記燃料電池１０と同様に、所定のセパレータＳＰが面方向から端面Ｒに集中的に衝撃を受けることを抑制することができる。
【００３９】
以下に、図１０を用いて、燃料電池１０Ａの製造方法を説明する。まず、本変形例１の燃料電池１０Ａの製造方法では、図１０（Ａ）に示すように、複数のセパレータ形成部材ＳＰＰおよび複数の上記シール一体セルアセンブリＡＳＳＹを用意し、図１０（Ｂ）に示すように、セパレータ形成部材ＳＰＰと、２つのシール一体セルアセンブリＡＳＳＹとを交互に積層し、部材Ｏを形成する。セパレータ形成部材ＳＰＰは、板状部材であり、上記セパレータＳＰのように、３枚のプレートで形成されている。
【００４０】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、部材Ｏを、各セパレータＳＰの大きさが同じになるように、シール一体セルアセンブリＡＳＳＹの端部に沿って切断し、２つの積層体２０Ａを形成する。そして、各積層体２０Ａに、エンドプレート２１、緩衝材８０、締結部材２３などの構成部材を組み付けて２つの燃料電池１０Ａが完成する。以上のようにすれば、各セパレータＳＰの端面Ｒが、それぞれ４つの異なる平面上にそれぞれ配置される燃料電池１０Ａを製造することができる。なお、上記セパレータ形成部材ＳＰＰは、請求項におけるセパレータ形成部材に該当する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の燃料電池の製造方法で製造される燃料電池１０の断面を示す説明図である。
【図２】燃料電池１０における積層体２０の詳細な構成を示す説明図である。
【図３】カソード側プレートＳＰｃの構成を示す平面図である。
【図４】アノード側プレートＳＰａの構成を示す平面図である。
【図５】中間プレートＳＰｉの構成を示す平面図である。
【図６】上記実施例の燃料電池１０の製造方法を示すフローチャートである。
【図７】セパレータＳＰの端面Ｒに樹脂Ｇが塗布された様子を示す図である。
【図８】樹脂Ｇを備える各セパレータＳＰを用いて形成された積層体２０を示す図である。
【図９】各セパレータＳＰに形成された樹脂Ｇをホットプレスする様子を示す図である。
【図１０】変形例１の燃料電池１０Ａの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
２０…積層体
２１…エンドプレート
２３…締結部材
８０…緩衝材
１００…平面構成部材
２００…ホットプレート
ＡＳＳＹ…シール一体セルアセンブリ
Ｒ…端面
Ｋ…平面部
Ｇ…樹脂
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート
【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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【図９】
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【図１０】
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