(57)【要約】【課題】セル積層体側面の凹凸による、セル面内流路に流入する流体の量のセル毎のばらつきを解消できる積層型燃料電池、積層型燃料電池の製造方法および積層型燃料電池の製造装置の提供。【解決手段】（１）セパレータ１８を備えたセル１９を複数積層した燃料電池であって、セル積層後に面一加工したセル積層体側面３２を有している積層型燃料電池。（２）２以上のセパレータ１８を積層し固定する第１の工程と、第１の工程後に積層された各セパレータ１８の積層側面３２により形成される面を面一加工する第２の工程と、を有する積層型燃料電池の製造方法。（３）２以上のセパレータ１８を積層し固定する第１の手段と、積層された各セパレータ１８の積層側面３２により形成される面を面一加工する第２の手段と、を有する積層型燃料電池の製造装置。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、セル積層後に面一加工したセル積層体側面を有している積層型燃料電池。
【請求項２】
セパレータを貫通して形成された内部マニホールドを備え、前記セル積層後に面一加工した積層側面が前記内部マニホールドに面するセル積層体側面である、請求項１記載の積層型燃料電池。
【請求項３】
セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、前記燃料電池はセパレータを貫通して形成された内部マニホールドを備えており、該内部マニホールドに面するセパレータ積層凹凸がセル積層体外面のセパレータ積層凹凸より小である燃料電池。
【請求項４】
セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、セパレータを接着する接着剤もセル積層体側面と面一加工されている請求項１、２、３記載の積層型燃料電池。
【請求項５】
セパレータを有するセルを複数積層した燃料電池において、前記内部マニホールドにスリーブを打ち込み該スリーブをスタック内に残したままとすることによって前記内部マニホールドに臨む面を面一のスリーブ内面とした積層型燃料電池。
【請求項６】
前記内部マニホールドに面するセル積層体側面が、テーパ状に加工される請求項２記載の積層型燃料電池。
【請求項７】
セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池の製造方法であって、２以上のセパレータを積層し固定する第１の工程と、第１の工程後に積層された各セパレータの積層側面により形成される面を面一加工する第２の工程と、を有する積層型燃料電池の製造方法。
【請求項８】
セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池の製造装置であって、２以上のセパレータを積層し固定する第１の手段と、積層された各セパレータの積層側面により形成される面を面一加工する第２の手段と、を有する積層型燃料電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）と、燃料電池の製造方法と、燃料電池の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）と、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−  
カソード側：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
【０００３】
上記反応が正常に行われるように、燃料ガス（水素）、酸化ガス（エア）、冷媒（冷却水）は、混じり合わないように、互いにシールされる。ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ間、および電解質膜とセパレータ間は接着剤でシールされ、セル間またはモジュール間はガスケットによりシールされる。セパレータに内部マニホールドが形成されている場合には、流体マニホールドまわりも接着剤にてシールされている。
セルを積層してスタックには、全セルにわたってセル積層方向（セル厚み方向と同じ方向）に貫通する燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドなどの、流体マニホールドが貫通されている。スタックに供給された流体は、流入側の流体マニホールドからセル面内の流体流路に流れ、さらにセル面内の流体流路から流出側の流体マニホールドに流れてスタックから出ていく。全セルの出力が均一になるには、各セルに流れる反応ガス量が全セルにわたって均一になることが必要である。
特開２０００−３３１６９１号公報は、セパレータのガスマニホールドからセル面内流路へのガス導入側の角を湾曲状に形成する（Ｒをつける）ことによって各セルへのガス分配を均一にすることを開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３３１６９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セパレータの製造におけるセパレータ寸法誤差や、セルまたはモジュールを積層してスタックに組み立てる時の不揃いにより、セル積層体側面（セル面と直交する方向のセルの、空間部に対する端面。該端面は、スタックの側面であってもよいし、スタック内のマニホールド内面であってもよい）は凹凸しており、それによって、マニホールドからセル面内流路に流入する流体の量がセル毎にばらつき、電池出力がセル毎にばらつくという問題があった。特開２０００−３３１６９１号公報は、ガスマニホールドからセル面内流路へのガス導入は円滑にはなるものの、セル積層体側面の凹凸による、セル面内流路に流入する流体の量のセル毎のばらつきまでを解消するものではない。
本発明の目的は、セル積層体側面の凹凸による、セル面内流路に流入する流体の量のセル毎のばらつきを解消できる積層型燃料電池、積層型燃料電池の製造方法および積層型燃料電池の製造装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、セル積層後に面一加工したセル積層体側面を有している積層型燃料電池。
（２）  セパレータを貫通して形成された内部マニホールドを備え、前記セル積層後に面一加工した積層側面が前記内部マニホールドに面するセル積層体側面である、（１）記載の積層型燃料電池。
（３）  セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、前記燃料電池はセパレータを貫通して形成された内部マニホールドを備えており、該内部マニホールドに面するセパレータ積層凹凸がセル積層体外面のセパレータ積層凹凸より小である燃料電池。
（４）  セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池であって、セパレータを接着する接着剤もセル積層体側面と面一加工されている（１）、（２）、（３）記載の積層型燃料電池。
（５）  セパレータを有するセルを複数積層した燃料電池において、前記内部マニホールドにスリーブを打ち込み該スリーブをスタック内に残したままとすることによって前記内部マニホールドに臨む面を面一のスリーブ内面とした積層型燃料電池。
（６）  前記内部マニホールドに面するセル積層体側面がテーパ状に加工される（２）記載の積層型燃料電池。
（７）  セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池の製造方法であって、２以上のセパレータを積層し固定する第１の工程と、第１の工程後に積層された各セパレータの積層側面により形成される面を面一加工する第２の工程と、を有する積層型燃料電池の製造方法。
（８）  セパレータを備えたセルを複数積層した燃料電池の製造装置であって、２以上のセパレータを積層し固定する第１の手段と、積層された各セパレータの積層側面により形成される面を面一加工する第２の手段と、を有する積層型燃料電池の製造装置。
【０００７】
上記（１）、（２）、（３）の積層型燃料電池、上記（７）の積層型燃料電池の製造方法、上記（８）の積層型燃料電池の製造装置では、セル積層体側面の凹凸をセル積層後に除去しているので、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セルへのガス分配を均一化できる。
上記（４）の積層型燃料電池では、セパレータを接着する接着剤もセル積層体側面と面一加工されているので、セル積層後で面一加工前には接着剤がセル積層体側面からはみ出ているものがあっても、面一加工された時には、それまではみ出ていた接着剤も除去されてセル積層体側面と面一となり、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セルへのガス分配を均一化できる。
上記（５）の積層型燃料電池では、内部マニホールドにスリーブを打ち込み該スリーブをスタック内に残したままとすることによって内部マニホールドに臨む面を面一のスリーブ内面としたので、面一に関して、セル積層体側面の凹凸をセル積層後に除去したと同じ作用、効果が得られる。
上記（６）の積層型燃料電池では、内部マニホールドに面するセル積層体側面がテーパ状に加工され、それを面一加工と同工程で加工することにより、マニホールドの下流に行くほどガス流速が低下する問題を加工工数を増やすことなく面一加工で解決することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の積層型燃料電池、積層型燃料電池の製造方法および積層型燃料電池の製造装置を図１〜図１０を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図９、図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）と、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示しているが、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８、冷媒流路２６は、それぞれ、セル面内の流体流路を形成する。
【００１１】
図１に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、が設けられる。冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１は、それぞれ、スタック２３内に形成された内部流体マニホールドを形成する。
流体マニホールドは入側流体マニホールドと出側流体マニホールドを有する。
冷媒は入側冷媒マニホールド２９からセル内の冷媒流路２６を通って出側冷媒マニホールド２９へ流れる。
燃料ガスは入側燃料ガスマニホールド３０からセル内の燃料ガス流路２７を通って出側燃料ガスマニホールド３０へ流れる。
酸化ガスは入側酸化ガスマニホールド３１からセル内の酸化ガス流路２８を通って出側酸化ガスマニホールド３１へ流れる。
【００１２】
電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８間は、発電領域の周りで、接着剤３４により互いにシールされる。隣接するセル１９間またはモジュール間はガスケット３５によってもシールされる。
接着剤３４は、初期は液状であるが、加熱することにより、または所定時間（たとえば、２４時間）放置することによって固化する。
【００１３】
セパレータ１８を備えたセル１９を複数積層した燃料電池１０は、セル積層後に、図３に示すように、セル積層体側面３２（セル積層方向と直交する方向の、空間部に面するセル端部の側面）を有する。このセル積層体側面３２は、流体マニホールド２９、３０、３１をスタック２３内に設ける内部マニホールドの場合は、スタック２３の内部マニホールドの内面（内部マニホールドに面するセル積層体側面）であってもよいし、流体マニホールドをスタック２３外に設ける外部マニホールドの場合は、スタック２３の外側側面であってもよい。
セル積層後、面一加工される前では、セル積層体側面３２は、図２に示すように、通常、不揃いで凹凸を有している。
しかし、本発明では、セル積層体側面３２は、セル積層後面一加工されて、面一加工したセル積層体側面３２となる。
内部マニホールドの場合は、面一加工されるセル積層体側面３２は、入側の流体マニホールド２９、３０、３１の内面である。ただし、出側の流体マニホールド２９、３０、３１の内面も面一加工されてもよい。
【００１４】
面一加工されるセル積層体側面３２が、流体マニホールド２９、３０、３１の内面である場合、内面が面一加工された内部マニホールド２９、３０、３１に面するセパレータ積層凹凸は、面一加工されないセル積層体外面のセパレータ積層凹凸より小である。
【００１５】
セパレータ１８を積層し固定した状態では、セパレータ１８間にはセパレータ１８を接着する接着剤３４があり、セル積層体側面３２の面一加工時には、セパレータ１８からはみ出た接着剤３４もセル積層体側面３２の面一加工と同時に、面一加工される。したがって、接着剤３４のはみ出しによる凹凸も無くなる。
【００１６】
図４の本発明の実施例では、セパレータ１８を有するセルを複数積層した燃料電池１０において、内部マニホールド２９、３０、３１にスリーブ３３を打ち込み、スリーブ３３をスタック３２内に残したままとすることによって、内部マニホールド２９、３０、３１に臨む面を面一のスリーブ内面としている。ただし、スリーブ３３には多孔が設けられていて流体が自由に通過できるようにしてある。また、ＭＥＡを挟むセパレータ１８同士が電気的に導通しないように、スリーブ３３は電気的絶縁性を有する材料、たとえば樹脂から作製される。
【００１７】
図５の実施例では、面一加工される内部マニホールド２９、３０、３１に面するセル積層体側面が、入側マニホールドの奥側（流体流れ方向に見てスタック積層方向奥側）に行くにつれてマニホールド流路断面積が縮小する方向に、テーパ状に加工されている。この内部マニホールド２９、３０、３１内面のテーパ加工は、面一加工と同時に行われる。
【００１８】
上記の積層側面３２が面一加工された燃料電池１０の製造方法は、２以上のセパレータ１８を積層し固定する第１の工程と、第１の工程後に、積層された各セパレータの積層側面３２により形成される面を面一加工する第２の工程と、を有する。面一加工は、セル１９を複数枚（たとえば、１００枚）積層して内部マニホールド２９、３０、３１に加工工具を挿通し、工具を両端支持し、工具を回転または往復動させてセパレータ内面を加工すること等により行う。
【００１９】
また、上記の積層側面３２が面一加工された燃料電池１０の製造装置は、２以上のセパレータ１８を積層し固定する第１の手段と、積層された各セパレータ１８の積層側面３２により形成される面を面一加工する第２の手段と、を有する。この製造装置は、スタック組立治具に組み込まれてもよいし、あるいはスタック組立治具とは別に設けられてスタック組立治具で組立られたスタック２３を面一加工装置に移行させて加工してもよい。
【００２０】
上記本発明の積層型燃料電池１０、その製造方法、およびその製造装置の作用を説明する。
積層型燃料電池１０、その製造方法、およびその製造装置では、セル積層体側面３２の凹凸をセル積層後に除去しているので、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セル１９へのガス分配を均一化できる。
【００２１】
燃料電池セル１９を、図６に示すように、バリ１００や欠け１０１がある場合と、図７に示すように、スタック２３に組み立てて内部マニホールド２９、３０、３１内面を面一加工した場合とで、燃料電池運転時の性能の差異をテストにより調査した。
ガス流量の差は、セル１９内の水分量に影響するため、図６の状態と、図７の状態でセル内部の水分量を測定した結果、図８に示すように、セル内部の水分量が均一化することを確認した。すなわち、凹凸有りの場合は、多水分量、少ガス量であるが、凹凸無しの場合（面一加工された場合）は、水分量分布が均一化されており、したがってガス量分布も均一化される。このことから、内部マニホールド２９、３０、３１内面を面一にすることで、ガスの乱れが減少し、分配性能が向上したと考えられる。
上記の作用、効果は外部マニホールドの場合でも成立する。
【００２２】
セパレータ１８を接着する接着剤３４もセル積層体側面３２と面一加工されているので、セル積層後で面一加工前には接着剤がセル積層体側面３２からはみ出ているものがあっても、面一加工された時にははみ出ていた接着剤３４も除去されてセル積層体側面３２と面一となり、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セル１９へのガス分配を均一化できる。
【００２３】
図４の積層型燃料電池１０では、内部マニホールド２９、３０、３１にスリーブ３３を打ち込み、スリーブ３３をスタック２３内に残したままとすることによって内部マニホールド２９、３０、３１に臨む面を面一のスリーブ内面としたので、面一および各セル１９へのガス分配の均一化に関して、セル積層体側面３２の凹凸をセル積層後に除去したと同じ作用、効果が得られる。
【００２４】
図５の積層型燃料電池１０では、内部マニホールド２９、３０、３１に面するセル積層体側面３２がテーパ状に加工され、それを面一加工と同工程で加工することにより、マニホールド２９、３０、３１の下流に行くほどガス流速が低下する問題を加工工数を増やすことなく面一加工で解決することができる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１〜３の積層型燃料電池、請求項７の積層型燃料電池の製造方法、請求項８の積層型燃料電池の製造装置によれば、セル積層体側面の凹凸をセル積層後に除去しているので、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セルへのガス分配を均一化できる。
請求項４の積層型燃料電池によれば、セパレータを接着する接着剤もセル積層体側面と面一加工されているので、面一加工された時には、それまではみ出ていた接着剤も除去されてセル積層体側面と面一となり、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セルへのガス分配を均一化できる。
請求項５の積層型燃料電池によれば、内部マニホールドにスリーブを打ち込み該スリーブをスタック内に残したままとすることによって内部マニホールドに臨む面を面一のスリーブ内面としたので、面一に関して、セル積層体側面の凹凸をセル積層後に除去したと同じ作用、効果が得られる。その結果、セル製造誤差や組み付け誤差に関係なく、各セルへのガス分配を均一化できる。
請求項６の積層型燃料電池によれば、内部マニホールドに面するセル積層体側面がテーパ状に加工され、それを面一加工と同工程で加工することにより、マニホールドの下流に行くほどガス流速が低下する問題を加工工数を増やすことなく面一加工で解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型燃料電池の流体マニホールドとその近傍のスタック部分の断面図である。
【図２】本発明の積層型燃料電池のセル積層体側面の一部とその近傍のスタック部分の、面一加工前の、断面図である。
【図３】本発明の積層型燃料電池のセル積層体側面の一部とその近傍のスタック部分の、面一加工後の、断面図である。
【図４】本発明の積層型燃料電池で内部マニホールドにスリーブを打ち込んだ場合の、スタックの一部の断面図である。
【図５】本発明の積層型燃料電池で内部マニホールド内面に面一加工とテーパ加工を施した場合の、スタックの一部の断面図である。
【図６】セパレータ端部にバリや欠けがある場合（面一加工前を模擬）のセパレータの一部の断面図である。
【図７】セパレータ端部を面一加工した場合のセパレータの一部の断面図である。
【図８】図６の場合と図７の場合の、水分分布の比較を示すグラフである。
【図９】一般の積層型燃料電池のスタックの側面図である。
【図１０】一般の積層型燃料電池のスタックの一部の断面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト・ナット
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  セル積層体側面
３３  スリーブ
３４  接着剤
３５  ガスケット
１００  バリ
１０１  欠け
【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】
2004192893.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004192893.tif 000011
【図１０】
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