(57)【要約】【課題】スタック型燃料電池の製作時、部品のアノード面とカソード面とが裏返されて積層されることを防止することのできる燃料電池スタック及びその製造方法を提供する。【解決手段】この燃料電池スタック１００は、アノード電極１１と、カソード電極１２と、アノード電極１１とカソード電極１２との間に位置する電解質膜１３と、からなる膜電極アセンブリ１０と、アノード電極１１に対向する燃料流動流路２１を備え、アノード電極１１に接触する第１プレート２０ａと、カソード電極１２に対向する酸化剤流動流路２２を備え、カソード電極１２に接触する第２プレート２０ｂと、を含み、膜電極アセンブリ１０、第１プレート２０ａ、及び第２プレート２０ｂは、積層される際に一列に配列される積層方向表示部５０をそれぞれ備える。【選択図】図３
2008270143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置する電解質膜と、からなる膜電極アセンブリと、
前記アノード電極に対向する燃料流動流路を備え、前記アノード電極に接触する第１プレートと、
前記カソード電極に対向する酸化剤流動流路を備え、前記カソード電極に接触する第２プレートと、
を含み、
前記膜電極アセンブリ、前記第１プレート、及び前記第２プレートは、積層される際に一列に配列される積層方向表示部をそれぞれ備えることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記積層方向表示部は、凹状の凹凸部、凸状の凹凸部、及び凹状と凸状とを組み合わせた形状の凹凸部のいずれか１つの側面凹凸部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記側面凹凸部は、前記燃料電池スタックの２つ以上の側面に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記側面凹凸部は、１つの側面に２つ以上が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記積層方向表示部は、側面角切断部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記側面角切断部は、前記燃料電池スタックの隣接する２つまたは３つの側面角に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜電極アセンブリと前記第１プレートとの間に挿入される第１ガスケットと、
前記膜電極アセンブリと前記第２プレートとの間に挿入される第２ガスケットと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１プレートの前記燃料流動流路と前記第２プレートの前記酸化剤流動流路とが両面に露出するように一体に製作されたバイポーラプレートをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記バイポーラプレートと前記膜電極アセンブリとの間に挿入されるもう１つのガスケットをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第１プレートの他面及び前記第２プレートの他面にそれぞれ接触し、互いに対向して位置する一対のエンドプレートをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記一対のエンドプレートの互いに対向する方向に一定の２つの力が保持されるように、前記一対のエンドプレートを押し付ける締結手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置する電解質膜と、からなり、当該電解質膜の側面に第１積層方向表示部が形成された膜電極アセンブリを用意するステップと、
一面に燃料流動流路が形成され、側面に第２積層方向表示部が形成された第１プレートと、一面に酸化剤流動流路が形成され、側面に第３積層方向表示部が形成された第２プレートとを用意するステップと、
前記第１積層方向表示部、前記第２積層方向表示部、及び前記第３積層方向表示部が一列に配列されるように、前記膜電極アセンブリと、前記第１プレートと、前記第２プレートとを積層するステップと、
を含むことを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１３】
前記電解質膜の側面に前記第１積層方向表示部が形成された膜電極アセンブリを用意するステップは、連続工程により前記膜電極アセンブリとして製作される前記電解質膜のエッジを一定間隔でパンチングして、凹状の凹凸部を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１４】
前記側面に前記第２積層方向表示部を備えた前記第１プレートと、前記側面に前記第３積層方向表示部を備えた前記第２プレートとを用意するステップは、前記第１プレート及び前記第２プレートの側面の一部分を研磨して、前記第１プレート及び前記第２プレートのそれぞれの側面に凹状の凹凸部を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１５】
前記膜電極アセンブリの前記凹凸部と、前記第１プレート及び前記第２プレートの凹凸部とは、１つの側面に２つ以上設けられるか、２つ以上の側面にそれぞれ設けられることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１６】
前記電解質膜の側面に前記第１積層方向表示部の形成された前記膜電極アセンブリを用意するステップは、前記電解質膜の側面角を切断して角切開部を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１７】
前記側面に前記第２積層方向表示部を備えた前記第１プレートと、前記側面に前記第３積層方向表示部を備えた前記第２プレートとを用意するステップは、前記第１プレート及び第２プレートの側面角を切断または研磨して角切開部を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１８】
前記膜電極アセンブリ、前記第１プレート、及び前記第２プレートの前記角切開部は、前記膜電極アセンブリ、前記第１プレート、及び前記第２プレートの隣接する２つまたは３つの側面角に形成されることを特徴とする、請求項１７に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１９】
前記膜電極アセンブリと前記第１プレートとの間に第１ガスケットを位置させ、前記膜電極アセンブリと前記第２プレートとの間に第２ガスケットを位置させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項２０】
前記第１プレートの他面に第１エンドプレートを位置させ、前記第２プレートの他面に第２エンドプレートを位置させるステップと、
前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとを締結手段により一定の力で締結するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の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、燃料電池スタック及びその製造方法に関し、特に、スタック型燃料電池の製作時、部品のアノード面とカソード面とが裏返されて積層されることを防止することのできる燃料電池スタック及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、無公害電力供給装置であって、次世代のクリーンエネルギー発電システムのひとつとして注目を集めている。燃料電池を用いた発電システムは、大型ビルの自家発電機、電気自動車用電源、移動電源などに利用可能であり、天然ガス、都市ガス、ナフサ、メタノール、廃棄物ガスなど、様々な燃料を使用することができるという長所がある。燃料電池は、根本的に同じ原理によって作動し、使用される電解質により、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）などに区分される。
【０００３】
これらの燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池は、使用される燃料により、高分子電解質膜型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  ｏｒ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）と、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）とに区分される。高分子電解質膜型燃料電池は、固体高分子を電解質として使用するため、電解質による腐食や蒸発のおそれがなく、単位面積あたり高い電流密度を得ることができる。しかも、他の種類の燃料電池に比べて出力特性が非常に高く、作動温度が低いため、自動車などに電力を供給するための移動用電源、住宅や公共ビルなどに電力を供給するための分散用電源、及び電子機器などに電力を供給するための小型電源として、その研究が盛んに行われている。また、直接メタノール型燃料電池は、燃料改質器を用いることなく、メタノールのような液状燃料を直接使用し、１００℃未満の作動温度で運転されるため、携帯用や小型電源に好適に使用できるという長所がある。
【０００４】
前述した高分子電解質型燃料電池は、単一電池の場合、通常、１Ｖ前後の出力電圧を有する。そのため、１Ｖよりも高い所望の電圧を出力する燃料電池を製作するためには、通常、複数の単位電池を電気的に直列接続させることが容易なスタック構造がよく利用されている。燃料電池スタックは、アノード電極と、カソード電極と、これらの電極の間に位置する高分子電解質膜と、からなる膜電極アセンブリ（以下「ＭＥＡ」ともいう）を、バイポーラプレート（以下「ＢＰ」ともいう。）と交互に積層して製作される。バイポーラプレートは、セパレータとも呼ばれる。
【０００５】
【特許文献１】大韓民国登録特許１０−０３４１４０２号公報
【特許文献２】大韓民国登録特許１０−０５７５６６３号公報
【特許文献３】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１に示すような従来の燃料電池スタック１において、ＭＥＡ１０のアノード面（アノード電極が配置された面）とカソード面（カソード電極が配置された面）とが、図２ａ及び図２ｂに示すようにほぼ同一であり、ＢＰ２０のアノード面（アノード電極に接する面）とカソード面（カソード電極に接する面）とが、図２ｃ及び図２ｄに示すようにほぼ同一であれば、燃料電池スタック１の製作時、ＭＥＡ１０及びＢＰ２０のアノード面とカソード面とを混同して裏返して（面を取り違えて、アノード面をカソード電極に、カソード面をアノード電極に接するように）積層し得るという問題がある。
【０００７】
特に、従来の燃料電池スタック１では、ＭＥＡ１０及びＢＰ２０を積層してスタックを製作した際、外見ではどのＭＥＡ１０及び／またはＢＰ２０が裏返されて積層されたのかを確認することが不可能である。したがって、従来の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの製作後、燃料及び酸化剤を供給しながら、所定の負荷に対して生成される電流を確認し、スタックが正常に製作されたか否かを判断しなければならなかった。そのため、不良の判定時、スタックを解体して再組立しなければならないという不都合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックの製作時、ＭＥＡ及びＢＰのアノード面とカソード面とを混同することなく、積層作業を容易に行うことが可能な、新規かつ改良された燃料電池スタック及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質膜と、からなる膜電極アセンブリと、アノード電極に対向する燃料流動流路を備え、アノード電極に接触する第１プレートと、カソード電極に対向する酸化剤流動流路を備え、カソード電極に接触する第２プレートと、を含み、膜電極アセンブリ、第１プレート、及び第２プレートは、積層される際に一列に配列される積層方向表示部をそれぞれ備えることを特徴とする、燃料電池スタックが提供される。
【００１０】
また、積層方向表示部は、凹状の凹凸部、凸状の凹凸部、及び凹状と凸状とを組み合わせた形状の凹凸部のいずれか１つの側面凹凸部を含んでもよい。
【００１１】
また、側面凹凸部は、燃料電池スタックの２つ以上の側面に設けられてもよい。
【００１２】
また、側面凹凸部は、１つの側面に２つ以上が設けられてもよい。
【００１３】
また、積層方向表示部は、側面角切断部を含んでもよい
【００１４】
また、側面角切断部は、燃料電池スタックの隣接する２つまたは３つの側面角に設けられてもよい。
【００１５】
また、膜電極アセンブリと第１プレートとの間に挿入される第１ガスケットと、膜電極アセンブリと第２プレートとの間に挿入される第２ガスケットと、をさらに含んでもよい。
【００１６】
また、第１プレートの燃料流動流路と第２プレートの酸化剤流動流路とが両面に露出するように一体に製作されたバイポーラプレートをさらに含んでもよい。
【００１７】
また、バイポーラプレートと膜電極アセンブリとの間に挿入されるもう１つのガスケットをさらに含んでもよい。
【００１８】
また、第１プレートの他面及び第２プレートの他面にそれぞれ接触し、互いに対向して位置する一対のエンドプレートをさらに含んでもよい。
【００１９】
また、一対のエンドプレートの互いに対向する方向に一定の２つの力が保持されるように、一対のエンドプレートを押し付ける締結手段をさらに含んでもよい。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質膜と、からなり、当該電解質膜の側面に第１積層方向表示部が形成された膜電極アセンブリを用意するステップと、一面に燃料流動流路が形成され、側面に第２積層方向表示部が形成された第１プレートと、一面に酸化剤流動流路が形成され、側面に第３積層方向表示部が形成された第２プレートとを用意するステップと、第１積層方向表示部、第２積層方向表示部、及び第３積層方向表示部が一列に配列されるように、膜電極アセンブリと、第１プレートと、第２プレートとを積層するステップと、を含むことを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法が提供される。
【００２１】
また、電解質膜の側面に第１積層方向表示部が形成された膜電極アセンブリを用意するステップは、連続工程により膜電極アセンブリとして製作される電解質膜のエッジを一定間隔でパンチングして、凹状の凹凸部を形成する工程を含んでもよい。
【００２２】
また、側面に第２積層方向表示部を備えた第１プレートと、側面に第３積層方向表示部を備えた第２プレートとを用意するステップは、第１プレート及び第２プレートの側面の一部分を研磨して、第１プレート及び第２プレートのそれぞれの側面に凹状の凹凸部を形成する工程を含んでもよい。
【００２３】
また、膜電極アセンブリの凹凸部と、第１プレート及び第２プレートの凹凸部とは、１つの側面に２つ以上設けられるか、２つ以上の側面にそれぞれ設けられてもよい。
【００２４】
また、電解質膜の側面に第１積層方向表示部の形成された膜電極アセンブリを用意するステップは、電解質膜の側面角を切断して角切開部を形成する工程を含んでもよい。
【００２５】
また、側面に第２積層方向表示部を備えた第１プレートと、側面に第３積層方向表示部を備えた第２プレートとを用意するステップは、第１プレート及び第２プレートの側面角を切断または研磨して角切開部を形成する工程を含んでもよい。
【００２６】
また、膜電極アセンブリ、第１プレート、及び第２プレートの角切開部は、膜電極アセンブリ、第１プレート、及び第２プレートの隣接する２つまたは３つの側面角に形成されてもよい。
【００２７】
また、膜電極アセンブリと第１プレートとの間に第１ガスケットを位置させ、膜電極アセンブリと第２プレートとの間に第２ガスケットを位置させるステップをさらに含んでもよい。
【００２８】
また、第１プレートの他面に第１エンドプレートを位置させ、第２プレートの他面に第２エンドプレートを位置させるステップと、第１エンドプレートと第２エンドプレートとを締結手段により一定の力で締結するステップと、をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池スタックの製作時、ＭＥＡ及びＢＰのアノード面とカソード面とを混同することなく、積層作業を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３１】
＜燃料電池スタックの構成＞
図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを示す概略図である。
【００３２】
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１０と、バイポーラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｐｌａｔｅ：ＢＰ）２０と、一対のモノポーラプレート２０ａ、２０ｂと、一対のエンドプレート３０ａ、３０ｂと、積層方向表示部５０とを含んでなる。本実施形態において、ＢＰ２０が省略されると、燃料電池スタック１００は、１つの単位電池を備えた燃料電池に対応することができる。
【００３３】
本実施形態の燃料電池スタック１００は、スタックの製作時、ＭＥＡ１０及びＢＰ２０のアノード面とカソード面とが裏返されて積層されることを防止するための積層方向表示部５０を備えることを、主な特徴とする。積層方向表示部５０は、ＭＥＡ１０、ＢＰ２０、モノポーラプレート２０ａ、２０ｂ、及び一対のエンドプレート３０ａ、３０ｂの各側面に凹状の凹凸部として形成され、積層時に一列に配列されるように、同じ位置に設けられている。一方、本実施形態のように、積層方向表示部５０が１つの凹凸部として形成された場合、正常な積層状態と裏返された積層状態とを明確に区別するため、積層方向表示部５０は、スタック１００の側面において、各層の面内の長手方向（ｘ方向）の中央部を除く残りの側面部分に設けられることが好ましい。
【００３４】
図４は、本実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。また、図５は、図４の燃料電池スタックの膜電極アセンブリのカソード面を示す斜視図であり、図６は、図４の燃料電池スタックのバイポーラプレートのアノード面を示す斜視図である。
【００３５】
図４及び図５を参照すると、本実施形態に係る燃料電池スタック１００のＭＥＡ１０は、アノード電極１１と、カソード電極１２と、アノード電極１１とカソード電極１２との間に位置する電解質膜１３とを含む。
【００３６】
電解質膜１３は、燃料マニホールド２３ａ、２３ｂ及び酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂの形成のための開口部を備える。また、電解質膜１３は、スタックの製作時、アノード電極１１の形成されているアノード面とカソード電極１２の形成されているカソード面とが裏返されて積層されないように、積層方向を表示する積層方向表示部５３、５５を備える。積層方向表示部５３、５５は、１つの凹状の凹凸部として実現されている。
【００３７】
前述したアノード電極１１は、触媒層と、微細孔層と、下地層とを含んでなり得る。これと同様、カソード電極１２も、触媒層と、微細孔層と、下地層とを含んでなり得る。
【００３８】
アノード電極１１及びカソード電極１２の触媒層は、供給される燃料または酸化剤が化学的に速やかに反応できるように反応促進の役割を果たす。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＺｎからなる群から選択される１種以上の遷移金属）からなる群より選択される１種以上の金属触媒を含むことが好ましい。他方、触媒層は、例えば、担持体に担持された白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＺｎからなる群より選択される１種以上の遷移金属）からなる群より選択される１種以上の金属触媒を含むことができる。担持体は、導電性を有する物質であれば何でもよいが、カーボン担持体であることが好ましい。
【００３９】
アノード電極１１及びカソード電極１２の微細孔層は、各触媒層に燃料または酸化剤が均一に分散供給されるように作用し、特に、カソード側微細孔層は、カソード側触媒層で生成された水を円滑に排出できるように作用する。前述した各微細孔層は、各下地層上にコーティングされたカーボン層で実現することができる。また、各微細孔層は、例えば、黒鉛、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン（Ｃ６０）、活性炭素、バルカン、ケッチェンブラック、カーボンブラック、及びカーボンナノホーンからなる群より選択される１種以上のカーボン物質を含むことができ、例えば、ポリ（パーフルオロスルホン酸）、ポリ（テトラフルオロエチレン）、及びフッ素化エチレン−プロピレンからなる群より選択される１種以上のバインダーをさらに含むことができる。
【００４０】
アノード電極１１及びカソード電極１２の下地層は、各触媒層を支持する役割を果たしつつ、燃料、水、空気などの分散作用、生成された電気の集電作用、及び各触媒層物質の消失防止作用をする。前述した下地層は、カーボンクロス、カーボン紙のようなカーボン基材で実現することができる。
【００４１】
電解質膜１３で製作可能な水素イオン導電性高分子には、例えば、フッ素系高分子、ケトン系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、エステル系高分子、アミド系高分子、イミド系高分子、スルホン系高分子、スチレン系高分子、炭化水素系高分子などがある。水素イオン導電性高分子の具体例には、例えば、ポリ（パーフルオロスルホン酸）、ポリ（パーフルオロカルボン酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテル共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリールケトン、ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンズイミダゾール）（ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンズイミダゾール））、ポリ（２，５−ベンズイミダゾール）、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリフェニレンなどを使用することができるが、これに限定されない。電解質膜１３は、水素イオンの効果的な通過のため、０．１ｍｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００４２】
電解質膜１３の製造には、溶媒を使用することができるが、このとき、使用可能な溶媒には、例えば、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、及びブチルアルコールのアルコール、水、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）からなる群より選択される単独または２種以上の混合溶媒がある。
【００４３】
図４及び図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００のＢＰ２０は、ＭＥＡ１０に供給される水素などの燃料や酸素などの酸化剤の通路を形成しつつ、隣接する単位電池を電気的に接続するコネクタの役割を果たす。このため、ＢＰ２０の一面には、蛇行状の燃料流動流路２１が設けられ、その他面には、蛇行状の酸化剤流動流路２２が設けられる。燃料流動流路２１及び酸化剤流動流路２２は、蛇行状以外にも適用可能な様々な形状で形成することができ、かつ互いに異なる形状でそれぞれ形成することができる。また、本発明のＢＰ２０は、スタックの製作時、燃料流動流路２１の形成されているアノード面と酸化剤流動流路２２の形成されているカソード面とが裏返されて積層されることを防止するための積層方向表示部５２、５４、５６を備える。積層方向表示部５２、５４、５６は、バイポーラプレート２０の片側面に凹状の凹凸部として形成されている。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、両面に燃料流動流路２１と酸化剤流動流路２２とが一体に形成されているバイポーラプレート２０とともに、一面に燃料流動流路２１の形成されている第１モノポーラプレート２０ａと、一面に酸化剤流動流路２２の形成されている第２モノポーラプレート２０ｂとを含む。第１モノポーラプレート２０ａは、燃料流動流路２１が積層方向において一方の最外側に位置するＭＥＡ１０のアノード電極１１に対向するように設けられ、第２モノポーラプレート２０ｂは、酸化剤流動流路２２が積層方向において他方の最外側に位置するＭＥＡ１０のカソード電極１２に対向するように設けられる。また、本発明の第１モノポーラプレート２０ａ及び第２モノポーラプレート２０ｂは、スタックの製作時、アノード面またはカソード面が裏返されて積層されることを防止するための積層方向表示部５２、５６を備える。積層方向表示部５２、５６は、第１モノポーラプレート２０ａ及び第２モノポーラプレート２０ｂの片側面に凹状の凹凸部としてそれぞれ形成されている。
【００４５】
以下では、第１モノポーラプレート２０ａ及び第２モノポーラプレート２０ｂについては、別途に言及せず、ＢＰ２０に含まれたものと仮定して説明する。
【００４６】
ＢＰ２０は、黒鉛、カーボン、耐食性に優れた物質が表面コーティングされた金属、または耐食性の優れた合金などの材料を用いて実現することができる。例えば、本実施形態は、ステンレス鋼の表面に導電性金属微粒子が不動態皮膜を貫通して突出された構造のステンレス鋼のＢＰ部品を使用することができる。
【００４７】
前述したＭＥＡ１０及びＢＰ２０の積層構造は、燃料流動のための燃料マニホールド２３ａ、２３ｂと、酸化剤流動のための酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂとを備える。このため、それぞれのＭＥＡ１０及びそれぞれのＢＰ２０は、燃料マニホールド２３ａ、２３ｂ及び酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂの形成のための開口部を備える。燃料マニホールド２３ａ、２３ｂは、ＢＰ２０の燃料流動流路２１に接続され、酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂは、ＢＰ２０の酸化剤流動流路２２に接続される。
【００４８】
さらに、図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、ＭＥＡ１０及びＢＰ２０の積層構造において、一方の最外側の第１モノポーラプレート２０ａの他面に位置する第１エンドプレート３０ａと、他方の最外側の第２モノポーラプレート２０ｂの他面に位置する第２エンドプレート３０ｂとを含む。第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂには、燃料マニホールド２３ａ、２３ｂにそれぞれ接続される流入孔３１ａと流出孔３１ｂ、及び酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂにそれぞれ接続される流入孔３２ａと流出孔３２ｂが形成される。また、第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂは、スタックの製作時、一面と他面とが裏返されて積層されることを防止するための積層方向表示部５１、５７を備える。積層方向表示部５１、５７は、第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂの片側面に凹状の凹凸部としてそれぞれ形成されている。
【００４９】
第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂは、熱硬化性樹脂及び熱塑性樹脂にガラスフィラーを混合して使用した材料や、先に説明した第１モノポーラプレート２０ａ及び第２モノポーラプレート２０ｂと、単体でＰＰＳ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  ｓｕｌｆｉｄｅ）により実現することができる。一方、燃料流動のための流入孔３１ａと流出孔３１ｂ、及び酸化剤流動のための流入孔３２ａと流出孔３２ｂは、一対のエンドプレート３０ａ、３０ｂを貫通するように形成される方式以外にも、スタック構造の側面に形成され得る。
【００５０】
また、第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂは、スタックの積層方向と積層の反対方向において、スタック構造の両面にほぼ均一な締結圧が加えられるように、締結手段により対向して押し付けられる。（図７ｅ参照）。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、ＭＥＡ１０とＢＰ２０との間に位置し、燃料の流れを担当するＭＥＡ１０の拡散層を密封するガスケット４０を含む。ガスケット４０は、ＭＥＡ１０のアノード電極１１またはカソード電極１２の形成されているアクティブ領域、ＢＰ２０の燃料流動流路２１または酸化剤流動流路２２の形成されている領域、燃料マニホールド２３ａ、２３ｂの形成されている領域、及び酸化剤マニホールド２４ａ、２４ｂの形成されている領域に対応する開口部４１を備える。
【００５２】
ガスケット４０は、弾性に優れ、熱サイクルに対する応力の保持力に優れた材料であって、例えば、ゴム、アクリル系、シリコン系材料や、ＴＰＥ（ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）、金属などの材料が使用可能である。一方、本実施形態では、ガスケット４０が外部に露出しないと仮定し、積層方向表示部を形成していないものの、ガスケット４０がスタックの外表面に露出した場合でも、ガスケット４０に積層方向表示部を形成することができることは、言うまでもない。このとき、形成される積層方向表示部は、スタックの製作時、他部品の積層方向表示部と一列に配列されるように位置することが好ましい。
【００５３】
＜燃料電池スタックの構成の変形例＞
図７ａ〜図７ｅは、本実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【００５４】
一の変形例に係る燃料電池スタック１００は、図７ａに示すように、スタックの一側面に形成された２つの積層方向表示部５０ａ、５０ｂを備えるか、若しくは図７ｂに示すように、スタックの２つの側面にそれぞれ形成された２つの積層方向表示部５０ａ、５０ｃを備えることができる。図７ｂの場合、ＭＥＡまたはＢＰが裏返されたとき、同じ形状を有することを防止するため、２つの積層方向表示部５０ａ、５０ｃは、ずらして配置することが好ましい。前述した積層方向表示部５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、凹状の凹凸部として実現されている。２つ以上の側面に積層方向表示部を形成する場合、積層方向表示部は、ＭＥＡまたはＢＰの正常な積層状態と裏返された積層状態とを外見から容易に区別可能な位置に設けることが好ましい。
【００５５】
また、他の変形例に係る料電池スタック１００は、図７ｃに示すように、スタックの一側面に形成された１つの積層方向表示部５０ｃ、及び他側面に形成された１つの積層方向表示部５０ｄを備えることができる。本変形例において、積層方向表示部５０ｃは、凹状の凹凸部として実現されており、もう１つの積層方向表示部５０ｄは、凸状の凹凸部として実現されている。
【００５６】
さらに他の変形例に係る燃料電池スタック１００は、図７ｄに示すように、積層方向表示部として側面角切断部（角切開部）５０ｅを備えることができる。側面角切断部５０ｅは、平面上で略矩形状を有するＭＥＡ及びＢＰの角（側面の角、側面角）を一定部分切断したもので、これは、先に説明した凹凸部状の積層方向表示部の場合と同様、ＭＥＡまたはＢＰが裏返された状態でスタックが製作されたとき、製作ミスを外見から容易に確認することができるように作用する。
【００５７】
側面角切断部５０ｅは、スタックの２つまたは３つの側面角に形成することができる。例えば、本発明の燃料電池スタック１００は、図７ｅに示すように、略直方体状のスタックの４つの側面をつなぐ４つの側面角のうち、３つの側面角にそれぞれ側面角切断部（角切開部）５０ｅ、５０ｆ、５０ｇを備えることができる。この場合、残る１つの側面角、すなわち、切断されていない側面角が積層方向表示部の役割を果たす。
【００５８】
一方、上記実施形態では言及していないものの、本実施形態の燃料電池スタック１００は、図７ｅに示すように、ＭＥＡとＢＰ、及びエンドプレートを締結するための締結手段６０を備える。締結手段６０は、所定の圧力でスタック部品を締結する。つまり、この締結手段６０は、一対のエンドプレートの両端部を、相互に対抗した面の方向へと押しつける。そして、締結手段６０は、この両端部に加えられた２つの力を保持することにより、スタック１００の積層状態を維持させる。また、締結手段６０は、スタック１００を貫通するボルト６１とナット６２とで実現することができるが、これに限定されない。
【００５９】
＜燃料電池スタックの製造方法＞
図８は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法を説明するためのフローチャートである。以下、同図を参照して、本発明の燃料電池スタックの製造方法を説明する。
【００６０】
まず、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質膜とからなり、電解質膜の側面に第１積層方向表示部の形成された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を用意する（Ｓ１０）。この際、第１積層方向表示部は、例えば、連続した工程中において、電解質膜の側面（端部、エッジ）を一定間隔でパンチングして、凹状の凹凸部を形成することにより、形成されてもよい。また、第１積層方向表示部として側面角切断部を形成する場合に、この第１積層方向表示部は、例えば、電解質膜の側面角を切断して側面角切断部を形成することにより、形成されてもよい。
【００６１】
また、一面に燃料流動流路が形成され、側面に第２積層方向表示部が形成される第１プレートと、一面に酸化剤流動流路が形成され、側面に第３積層方向表示部が形成される第２プレートとを用意する（Ｓ２０）。ここで、第１プレート及び第２プレートは、一対のモノポーラプレートに該当する。この際、第２、３積層方向表示部は、例えば、第１プレート又は第２プレートの側面の一部を研磨して、凹状の凹凸部を形成することにより、形成されてもよい。また、第２、３積方向表示部として側面角切断部を形成する場合に、この第２、３積層方向表示部は、第１プレート又は第２プレートの側面角を切断して側面角切断部を形成することにより、形成されてもよい。
【００６２】
次に、第１積層方向表示部、第２積層方向表示部、及び第３積層方向表示部が一列に配列されるように、膜電極アセンブリと、第１プレートと、第２プレートとを積層する（Ｓ３０）。これは、単一の燃料電池で構成された燃料電池スタックの場合である。仮に、所望の電圧を得るために複数の単位電池を積層する場合、ＭＥＡ及びＢＰを所望の数だけ追加挿入することができる。
【００６３】
上記の積層のステップ（Ｓ３０）において、膜電極アセンブリと第１プレートとの間に第１ガスケットを挿入し、膜電極アセンブリと第２プレートとの間に第２ガスケットを挿入することができる。また、ＭＥＡ及びＢＰが追加設置された場合、バイポーラプレートと膜電極アセンブリとの間にもガスケットを追加挿入することができる。
【００６４】
次に、第１プレートの他面に第１エンドプレートを位置させ、第２プレートの他面に第２エンドプレートを位置させた後、第１エンドプレートと第２エンドプレートとを締結手段により一定の力で締結する（Ｓ４０）。
【００６５】
本実施形態に係る燃料電池スタックによれば、各積層方法表示部が一列に配列されているか否かを確認することにより、スタックの製作中にＭＥＡまたはＢＰが裏返されて積層されたことを外見から容易に確認することができ、スタックの製作ミスなく、スタックを容易に製作することができる。加えて本実施形態に係る燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの製作時、ＭＥＡ及びＢＰのアノード面とカソード面とを裏返して積層するといった製作ミスを防止することができ、製品スタックの不良を低減するという長所がある。
【００６６】
従って、燃料電池スタックの製造工程において、製品スタックの出力電流を確認することで、アノード面とカソード面とが裏返されて製作されたか否かを判定することなく、製品スタックの外観からアノード面とカソード面とが裏返されたことを確認することができるため、アノード面とカソード面とを裏返して積層するといった製作ミスを防止することができるので、製作に要する時間を短縮することもできる。加えて、不良と判定されたスタックの繰り返し積層作業による製品スタックの性能への悪影響を防止することができ、製作ミスによるスタックの不良率を大きく低減することができる。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】従来の燃料電池スタックを示す概略図である。
【図２ａ】図１の燃料電池スタックの膜電極アセンブリのアノード面を示す平面図である。
【図２ｂ】図１の燃料電池スタックの膜電極アセンブリのカソード面を示す平面図である。
【図２ｃ】図１の燃料電池スタックのバイポーラプレートのアノード面を示す平面図である。
【図２ｄ】図１の燃料電池スタックのバイポーラプレートのカソード面を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを示す概略図である。
【図４】同実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図５】図４の燃料電池スタックの膜電極アセンブリのカソード面を示す斜視図である。
【図６】図４の燃料電池スタックのバイポーラプレートのアノード面を示す斜視図である。
【図７ａ】同実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【図７ｂ】同実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【図７ｃ】同実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【図７ｄ】同実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【図７ｅ】同実施形態に係る燃料電池スタックの変形例を示す概略図である。
【図８】同実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１０    膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
１１    アノード電極
１２    カソード電極
２０    バイポーラプレート（ＢＰ）
２０ａ、２０ｂ    モノポーラプレート
２１    燃料流動流路
２２    酸化剤流動流路
２３ａ、２３ｂ    燃料マニホールド
２４ａ、２４ｂ    酸化剤マニホールド
３０ａ、３０ｂ    エンドプレート
４０    ガスケット
５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７    積層方向表示部
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ    凹状の凹凸部
５０ｄ    凸状の凹凸部
５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ    側面角切断部
６０    締結手段
１００    燃料電池スタック
【図１】
2008270143.tif 000003
【図２ａ】
2008270143.tif 000004
【図２ｂ】
2008270143.tif 000005
【図２ｃ】
2008270143.tif 000006
【図２ｄ】
2008270143.tif 000007
【図３】
2008270143.tif 000008
【図４】
2008270143.tif 000009
【図５】
2008270143.tif 000010
【図６】
2008270143.tif 000011
【図７ａ】
2008270143.tif 000012
【図７ｂ】
2008270143.tif 000013
【図７ｃ】
2008270143.tif 000014
【図７ｄ】
2008270143.tif 000015
【図７ｅ】
2008270143.tif 000016
【図８】
2008270143.tif 000017