(57)【要約】【課題】セパレータ接合時の面内厚さばらつきを抑制する。【解決手段】アノードプレート３００、カソードプレート４００、中間プレート５００を接着層３２０、３４０を介して接合する際に、アノードプレート３００上あるいはカソードプレート４００下にスペーサ６５０を当接させてプレス型Ｐ１、Ｐ２で圧着する。冷却後に中間プレート５００は収縮するが、中間プレート５００内の冷却水路板６００をスペーサ６５０を介して圧縮しているため面内の厚さばらつきが抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体のアノード側に当接するアノードプレートと、
前記膜電極接合体のカソード側に当接するカソードプレートと、
前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に挟持され、厚さ方向に貫通するとともに冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、
前記冷却媒体流動部に配置される冷却媒体流路調整プレートと、
を有し、
前記中間プレート及び前記冷却媒体流路調整プレートを前記アノードプレート及び前記カソードプレートで挟持し熱圧着する際に、前記アノードプレートあるいは前記カソードプレートの少なくともいずれか一方のプレートの前記冷却媒体流路調整プレート存在部位内に、前記冷却媒体流路調整プレートの圧縮量を調整するスペーサを当接させて熱圧着することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項２】
膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体のアノード側に当接するアノードプレートと、
前記膜電極接合体のカソード側に当接するカソードプレートと、
前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に挟持され、厚さ方向に貫通するとともに冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、
前記冷却媒体流動部に配置される冷却媒体流路調整プレートと、
を有し、
前記中間プレート及び前記冷却媒体流路調整プレートを前記アノードプレート及び前記カソードプレートで挟持し熱圧着する際に、前記アノードプレートあるいは前記カソードプレートの少なくともいずれか一方のプレートの前記冷却媒体流路調整プレート存在部位内に、前記冷却媒体流路調整プレートの圧縮量を調整するプレス型突起を当接させて熱圧着することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池セパレータの製造方法に関し、特に融点の高い中間層と融点の低い接着層を有するラミネート接合セパレータの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（酸素極と燃料極）に水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸素ガスをそれぞれ供給することにより電気化学反応が行われ、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体ＭＥＡ及びセパレータを積層して締結するいわゆるスタック構造が知られている。
【０００３】
燃料電池では、電気化学反応において発生した熱エネルギや構成材料の電気抵抗により発熱するため、効率的に冷却する必要がある。下記の特許文献１には、膜電極接合体ＭＥＡのカソード側と当接するカソードプレートと、膜電極接合体ＭＥＡのアノード側と当接するアノードプレートと、カソードプレートとアノードプレートとに挟持される中間プレートを有する燃料電池のセパレータにおいて、中間プレートの厚さ方向に貫通して冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を設け、冷却媒体流動部に中間プレートとは別体で冷却媒体をセパレータの面方向に分配するための分配部を配設する構成が開示されている。
【０００４】
図５に、従来の燃料電池の構成を示す。燃料電池スタック１００は、積層の単位２００を複数個積層することにより構成される。燃料電池スタック１００には、酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体排出マニホールド１６０が設けられる。通常、酸化ガスとして空気、燃料ガスとして水素、冷却媒体として水、エチレングリコール等の不凍水、空気等が用いられる。
【０００５】
図６に、図５における積層単位２００の構成を示す。積層単位２００は、セパレータ１０００とシール一体型膜電極接合体２０００から構成される。セパレータ１０００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００と、分配部材６００を有して構成される。中間プレート５００は、略中央部に破線で示すように厚さ方向に貫通する貫通部５５０が設けられ、分配部材６００は中間プレート５００の貫通部５５０に配置される。アノードプレート３００及びカソードプレート４００は、中間プレート５００を挟持するように、中間プレート５００の両端にそれぞれ接合される。３枚のプレートは、例えば熱圧着で接合される。図６における矢印Ｒで示す方向は、燃料電池スタック１００において積層単位２００が積層される方向である。一方、シール一体型膜電極接合体２０００は、シール部材７００と、膜電極接合体８００を有する。シール部材７００の中心部には、破線で示すように膜電極接合体８００を配置するための孔７５０が設けられる。膜電極接合体８００は、電解質膜８２０と、アノード８４０と、カソード８６０を有する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１８８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のとおり、セパレータ１０００はアノードプレート３００、カソードプレート４００、中間プレート５００の両端部を熱圧着等で接合して形成されるが、熱圧着後の冷却工程において中間プレート５００の両端部を含む樹脂部のみが収縮して面内厚みが不均一化する問題があった。
【０００８】
図７に、熱圧着でセパレータ１０００を形成する場合の工程図を示す。図７（ａ）は接合前の状態であり、プレス型Ｐ１、Ｐ２の間に、カソードプレート４００、接着層３４０、中間プレート５００、接着層３２０、アノードプレート３００が順次積層され、中間プレート５００の略中央に分配部材６００（以下、これを冷却媒体としての冷却水の流路を形成する板として冷却水路板６００と称する）が配置される。冷却水路板の厚さは例えば３５０μｍに設定され、接合前のアノードプレート・カソードプレート間の間隔は例えば３７５μｍに設定される。図７（ｂ）は接合中の状態であり、冷却水路板６００を定寸として接合すると、端部の接着層３２０、３４０のみが溶けて圧着される。図７（ｃ）は冷却後の状態であり、中間プレート５００の端部の樹脂部分が収縮し、端部の厚さが小さくなって冷却水路板６００が存在する中央部の厚さに対して３０μｍ〜４０μｍ程度の面内厚さばらつきが生じてしまう。樹脂の収縮量を見込んだ高さにプレス型の定寸を設定することで樹脂の厚さは制御することが可能であるが、冷却水路板６００の厚みが変化した場合に対応できない。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池セパレータを接合形成する際に、面内の厚さばらつきを抑制できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体のアノード側に当接するアノードプレートと、前記膜電極接合体のカソード側に当接するカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に挟持され、厚さ方向に貫通するとともに冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、前記冷却媒体流動部に配置される冷却媒体流路調整プレートとを有し、前記中間プレート及び前記冷却媒体流路調整プレートを前記アノードプレート及び前記カソードプレートで挟持し熱圧着する際に、前記アノードプレートあるいは前記カソードプレートの少なくともいずれか一方のプレートの前記冷却媒体流路調整プレート存在部位内に、前記冷却媒体流路調整プレートの圧縮量を調整するスペーサを当接させて熱圧着することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、膜電極接合体と交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体のアノード側に当接するアノードプレートと、前記膜電極接合体のカソード側に当接するカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に挟持され、厚さ方向に貫通するとともに冷却媒体が流動する冷却媒体流動部を有する中間プレートと、前記冷却媒体流動部に配置される冷却媒体流路調整プレートとを有し、前記中間プレート及び前記冷却媒体流路調整プレートを前記アノードプレート及び前記カソードプレートで挟持し熱圧着する際に、前記アノードプレートあるいは前記カソードプレートの少なくともいずれか一方のプレートの前記冷却媒体流路調整プレート存在部位内に、前記冷却媒体流路調整プレートの圧縮量を調整するプレス型突起を当接させて熱圧着することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱圧着でセパレータを製造する際の中間プレート収縮による面内厚さばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。なお、図５、図６に示す従来の燃料電池のスタック１００、積層単位２００、セパレータ１０００及び膜電極接合体２０００については本実施形態においても同様であるためこれを援用して説明する。すなわち、中間プレート５００の略中央に配設された貫通孔には冷却媒体の流路を調整するための冷却水路板６００が配置されるが、本実施形態でもこれを援用するものとする。
【００１４】
図１に、本実施形態におけるセパレータ１０００の製造方法の概念図を示す。セパレータ１０００は、アノードプレート３００、中間プレート５００、カソードプレート４００を熱圧着して接合して形成される。中間プレート５００の略中央には貫通部５５０が設けられ、この貫通部５５０に冷却媒体流路調整プレートとしての冷却水路板６００が配置される。３枚のプレートを熱圧着する際に、アノードプレート３００上であって冷却水路板６００の存在部位内（投影範囲内）にスペーサ６５０を介在させ、このスペーサ６５０を介して熱圧着する。スペーサ６５０の厚さ分だけ冷却水路板６５０の部分を圧縮し、熱圧着後の端部樹脂部分の収縮分と同程度とする。
【００１５】
中間プレート５００の厚さ、材質によりスペーサ６５０の厚さ、すなわちかさ上げ量を調整するが、使用する温度領域において冷却水路板６５０と中間プレート６５０が略同じ厚さとなるような見込み量を選定する。
【００１６】
図２に、熱圧着でセパレータ１０００を形成する工程図を示す。図２（ａ）は接合前の状態であり、プレス型Ｐ１、Ｐ２の間に、カソードプレート４００、接着層３４０、中間プレート５００、接着層３２０、アノードプレート３００が順次積層され、中間プレート５００の略中央に冷却水路板６００が配置される。また、アノードプレート３００上であって、冷却水路板６００の投影範囲内に、冷却水路板６００の投影面積以下の面積のスペーサ６５０が配置され、スペーサ６５０を配置した状態で熱圧着する。冷却水路板６００の厚さが３５０μｍの場合、スペーサ６５０の厚さは例えば５０μｍである。図２（ｂ）は接合中の状態であり、スペーサ６５０を介在させて圧着するため、スペーサ６５０の厚さ分だけ冷却水路板６００の部分が圧縮される。図２（ｃ）は冷却後の状態であり、たとえ中間プレート５００が収縮しても冷却水路板６００の部分もスペーサ６５０の厚さ分だけ圧縮されているため、面内厚さばらつきが抑制される。図では面内厚さばらつきが１０μｍ以下に抑制されていることを示す。
【００１７】
このように、アノードプレート３００上にスペーサ６５０を介在させることで、熱圧着後のセパレータ１０００の面内厚さばらつき（面内厚さの不均一）を簡易にかつ効果的に抑制することができる。なお、冷却水路板６００は、厚さ３５０μｍの板にエッチングで溝を掘ることで形成されるがプレス成形することも可能であり、プレス成形の場合には厚さ公差がラフになりやすい。本実施形態では、冷却水路板６００の厚さを基準としてスペーサ６５０を選定して熱圧着するため、厚さ公差がラフであったとしても容易に対応することが可能である。
【００１８】
本実施形態では、アノードプレート３００上にスペーサ６５０を配置したが、カソードプレート４００の下にスペーサを配置してもよい。
【００１９】
図３に、この場合の工程部を示す。プレス型Ｐ１、Ｐ２の間に、カソードプレート４００、接着層３４０、中間プレート５００、接着層３２０、アノードプレート３００が順次積層され、中間プレート５００の略中央に冷却水路板６００が配置される。また、アノードプレート３００上であって、冷却水路板６００の投影範囲内に、冷却水路板６００の投影面積以下の面積の第１のスペーサ６５０が配置される。さらに、カソードプレート４００の下であって、冷却水路板６００の投影範囲内に、冷却水路板６００の投影面積以下の面積の第２のスペーサ６６０が配置される。この状態で熱圧着を行うことで、上下のスペーサ６５０、６６０の厚さ分だけ冷却水路板６００の部分が圧縮され、冷却後に中間プレート５００が収縮しても面内厚さばらつきを抑制できる。スペーサ６５０、６６０は同一形状、同一厚さとしてもよい。
【００２０】
なお、図３ではアノードプレート３００上にスペーサ６５０、カソードプレート４００下にスペーサ６６０を配置したが、もちろんカソードプレート４００下にのみスペーサ６６０を配置してもよい。
【００２１】
また、図１〜３ではいずれもスペーサ６５０、６６０を用いているが、冷却水路板６００の厚さが比較的厳密に規定され、かさ上げ量がある程度決まっているのであれば、プレス型Ｐ１、Ｐ２を掘り込んで突起を形成し冷却水路板６００を圧縮してもよい。
【００２２】
図４に、この場合の構成を示す。プレス型Ｐ１、Ｐ２の略中央部、つまり冷却水路板６００の存在領域に突起あるいは凸部を形成する。そして、プレス型Ｐ１、Ｐ２の間に、カソードプレート４００、接着層３４０、中間プレート５００、接着層３２０、アノードプレート３００が順次積層され、中間プレート５００の略中央に冷却水路板６００が配置される。スペーサ６５０あるいはスペーサ６６０は不要である。図４の構成では、プレス型Ｐ１、Ｐ２のいずれにも凸部を形成しているが、プレス型Ｐ１のみに凸部を形成する、あるいはプレス型Ｐ２のみに凸部を形成する、あるいはプレス型Ｐ１のみに凸部を形成するとともにカソードプレート４００下にスペーサ６６０を配置する、あるいはプレス型Ｐ２のみに凸部を形成するとともにアノードプレート３００上にスペーサ６５０を配置する、のいずれでもよい。要するに、アノードプレート３００あるいはカソードプレート４００の少なくともいずれかに、スペーサあるいはプレス型の突起（凸部）を当接させて熱圧着し、中間プレート５００の収縮分だけ冷却水路板６００を圧縮すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】セパレータの製造方法の概念図である。
【図２】セパレータの製造工程を示す説明図である。
【図３】セパレータの他の製造工程を示す説明図である。
【図４】セパレータのさらに他の製造工程を示す説明図である。
【図５】燃料電池スタックの構成図である。
【図６】燃料電池スタックの積層単位の構成図である。
【図７】従来の製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
３００  アノードプレート、３２０，３４０  接着層、４００  カソードプレート、５００  中間プレート、６００  冷却水路板（冷却媒体流路調整プレート）、６５０  スペーサ、６６０  スペーサ。
【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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