(57)【要約】【課題】  接着剤中に気泡や細孔が残存することを抑制できる燃料電池の製造方法の提供。【解決手段】（１）セパレータに接着剤３３を塗布しセパレータ１８間にＭＥＡを挟みセパレータ同士およびセパレータとＭＥＡを加圧下で接着剤３３にて接着する燃料電池の製造方法であって、接着剤３３にかかる加圧方向を複数の方向にした。（２）接着剤３３にかかる加圧方向はセパレータ面に垂直な方向とセパレータ面に平行な方向とを含む。（３）セパレータ面に平行な方向の加圧力は流体圧である。（４）流体圧は正圧と負圧間に変動される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータに接着剤を塗布しセパレータ間にＭＥＡを挟みセパレータ同士およびセパレータとＭＥＡを加圧下で接着剤にて接着する燃料電池の製造方法であって、接着剤にかかる加圧方向を複数の方向にした燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記接着剤にかかる加圧方向はセパレータ面に垂直な方向とセパレータ面に平行な方向とを含む請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記セパレータ面に平行な方向の加圧力は流体圧である請求項２記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記流体圧は正負間に変動される請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池（セル）、たとえば単位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 ）とセパレータとを接着剤で接着したものからなる。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。セルには、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成される。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、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
【０００３】
特開平８−１８５８７５号公報は、セルの製造においてＭＥＡとセパレータ、セパレータとセパレータとを接着剤にて接着する際に、ＭＥＡ、セパレータを、金型内で、接着面に垂直な方向の、一方向加圧下で、一体に接着することを開示している。
【０００４】
しかし、従来方法では、接着過程において、接着剤には接着面に垂直な方向にのみ荷重が作用するので、固化前の接着剤中の気泡が接着剤外に逃げにくく、かつ接着剤中の細孔が潰れにくい。その結果、固化後の接着剤中に気泡や細孔が残り、燃料電池の運転中に残存気泡や細孔を介して流体流路が外部と連通すると流体漏れが生じ、シール性が問題となる。
【特許文献１】特開平８−１８５８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、セル製造中に接着剤中に生じるかもしれない気泡や細孔による、シール性の問題である。
本発明の目的は、接着剤中に気泡や細孔が残存することを抑制できる燃料電池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】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  セパレータに接着剤を塗布しセパレータ間にＭＥＡを挟みセパレータ同士およびセパレータとＭＥＡを加圧下で接着剤にて接着する燃料電池の製造方法であって、接着剤にかかる加圧方向を複数の方向にした燃料電池の製造方法。
（２）  前記接着剤にかかる加圧方向はセパレータ面に垂直な方向とセパレータ面に平行な方向とを含む（１）記載の燃料電池の製造方法。
（３）  前記セパレータ面に平行な方向の加圧力は流体圧である（２）記載の燃料電池の製造方法。
（４）  前記流体圧は正圧と負圧間に変動される（３）記載の燃料電池の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池の製造方法によれば、接着剤にかかる加圧方向を複数の方向にしたので、加圧方向がセパレータ面（接着面）に垂直な方向の一方向のみであった従来の場合に比べて、接着剤中の気泡が接着剤外に逃げやすくなり、かつ接着剤中の細孔が潰れやすくなる。その結果、接着剤中に気泡や細孔が残存することを抑制でき、シール性が向上する。
上記（２）の燃料電池の製造方法によれば、加圧方向がセパレータ面に平行な方向を含むので、接着剤がセパレータ面に平行な方向に移動しやすく、接着剤中の気泡や細孔を接着剤外に除去しやすくなる。
上記（３）の燃料電池の製造方法によれば、セパレータ面に平行な方向の加圧力が流体の圧力であるため、マニホールドや流体流路を利用して容易に、接着剤にセパレータ面に平行な方向の圧力をかけることができる。
上記（４）の燃料電池の製造方法によれば、流体圧が正圧と負圧間に変動されるので、セパレータ面に平行な方向の圧力を、接着剤を押したり引いたりする両方向荷重でかけることができ、押すだけの荷重をかける場合に比べて、接着剤中の気泡や細孔を接着剤外に除去しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池の製造方法を図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池の製造方法が適用される燃料電池は、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】
図２〜図４に示すように、固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、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。積層方向は任意である。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を有する電極（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を有する電極（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、リブ下にもガスを流通させ拡散させるために拡散層１３、１６が設けられる。
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、その背面に冷媒流路２６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、その背面に冷媒流路２６が形成されている。各セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する燃料ガスマニホールド３０が形成され、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する酸化ガスマニホールド３１が形成され、冷媒流路２６に冷却水を供給・排出する冷媒マニホールド２９が形成されている。各セル１９では、電解質膜１１を挟んで対向する２枚のセパレータ１８間およびセパレータ１８と電解質膜１１間は、流体流路２７、２８まわりおよびマニホールド２９、３０、３１まわりにて、分離不能に接着剤３３でシールされ、隣合うセル間は、流体流路２７、２８まわりおよびマニホールド２９、３０、３１まわりにて、分離可能にゴムガスケット３２でシールされる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）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（電気絶縁体）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）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
各セルの、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７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、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
セル１９は、セパレータ１８に接着剤３３を塗布し、セパレータ１８間にＭＥＡを挟み、セパレータ１８同士およびセパレータ１８とＭＥＡを、加圧下で、かつ、高温（たとえば、約８０℃〜１００℃）下で、接着剤３３にて接着して製造（アッシー化）される。この場合、接着剤３３にかかる加圧方向を複数の方向にする。接着剤３３は硬化工程中に、接着剤３３が固化完了する前に、加圧される。
【００１２】
詳しくは、セパレータ１８同士およびセパレータ１８とＭＥＡ、および接着剤３３の加圧、加熱はつぎのように行う。図１に示すように、セパレータ１８間にＭＥＡを挟んだものを一対の加熱用外部枠３４、３５間に配置する。ゴムガスケット３２が配置される部位に耐熱性ゴムシール材３７を配置して流体流路２６、２７、２８および流体マニホールド２９、３０、３１を外部からシールする。
加熱用外部枠３４、３５に組み込んだヒータ手段（図示略）に電源３８から通電して加熱用外部枠３４、３５を、たとえば約８０℃〜１００℃に加熱する。約８０℃〜１００℃に加熱するのは、接着剤３３の固化を促進するとともに、燃料電池運転温度かそれに近い温度で接着剤３３のシール性を保証するためである。
【００１３】
加熱用外部枠３４、３５に、荷重付与手段３６（たとえば、ボルト・ナット、ただし、ボルト・ナットはワンタッチの荷重付与手段により置き換えられてもよい）により、セパレータ１８面に垂直方向に所定荷重（燃料電池スタックの締結荷重かそれに近い荷重）をかけるとともに、その流体マニホールド２９、３０、３１および流体流路２６、２７、２８に、各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）のそれぞれに対して設けた流体出入り口３９、４０から、流体圧力をかけて、接着剤３３をセパレータ１８面と平行な方向に加圧する。
セパレータ１８面と垂直な方向の加圧は、加熱用外部枠３４、３５間に配置されたロードセル４１によって検出され、検出値を見ながら加圧力を調整できる。セパレータ１８面と垂直な方向の加圧を燃料電池スタックの締結荷重かそれに近い荷重とするのは、燃料電池運転時の荷重かそれに近い荷重で接着剤３３のシール性を保証するためである。
流体圧力は流体出入り口３９、４０のそれぞれの圧力Ｐ１、Ｐ２を圧力計４２、４３で検出しながら調整する。流体はエア、または窒素などの不活性なガス、を用いる。
これによって、接着剤３３は、荷重付与手段３６によってセパレータ面と垂直な方向に加圧され、かつ、流体圧力によってセパレータ面と平行な方向に加圧される。
【００１４】
流体圧は、望ましくは、正圧、負圧間に変動される。たとえば、Ｐ０を大気圧とすると、
１．  Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ０      Ｔ１時間保持。
２．  Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐ０      Ｔ２時間保持。
３．  Ｐ２＞Ｐ１＞Ｐ０      Ｔ３時間保持。
４．  Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ０      Ｔ４時間保持。
といった具合である。ただし、正圧領域のみで変動されてもよいし、あるいは負圧領域のみで変動されてもよい。
最大圧力は、燃料電池の最大運転圧力程度とする。その理由は、燃料電池最大運転圧力かそれに近い圧力で接着剤３３のシール性を保証するためと、過大な圧力をかけると電解質膜の損傷が生じるおそれがあるのでそれを防止するためである。
【００１５】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）のそれぞれに対して設けた流体出入り口３９、４０には、別々に時間を互いにずらして流体圧力をかけてもよいし、あるいは同時にかけてもよい。また、燃料ガス、冷却水のマニホールド、流路にも、かける圧力はエア、窒素であってよい。
上記の製造方法でシール性を確保して製造されたセルを積層してスタック化する。
【００１６】
つぎに、本発明の燃料電池の製造方法の作用・効果を説明する。
接着剤３３にかかる加圧方向を複数の方向にしたので、加圧方向がセパレータ面（接着面）に垂直な方向の一方向のみであった従来の場合に比べて、接着剤３３中の気泡が接着剤外に逃げやすくなり、かつ接着剤中の細孔が潰れやすくなる。その結果、接着剤中に気泡や細孔が残存することを抑制でき、シール性が向上する。たとえば、従来は接着剤がセパレータ面と直交する方向に加圧されるだけなので、接着剤や気泡や細孔がセパレータ面と直交する方向に動いてもセパレータ面に当たってそこで止まるだけであり、接着剤外に出ないが、本発明では、接着剤３３がセパレータ１８面と平行な方向にも加圧されるため、接着剤３３や気泡や細孔がセパレータ１８面と平行な方向に動いて接着剤３３外に出ることができ、接着剤中に気泡や細孔が残存することを抑制でき、シール性が向上する。
【００１７】
また、流体による加圧方向がセパレータ面に平行な方向であるので、接着剤３３がセパレータ１８面に当接することなくセパレータ１８面に平行な方向に移動でき、接着剤３３中の気泡や細孔を接着剤３３外に除去しやすくなる。
セパレータ１８面に平行な方向の加圧力が流体の圧力であるため、マニホールド２９、３０、３１や流体流路２６、２７、２８を利用して容易に、接着剤３３にセパレータ１８面に平行な方向の圧力をかけることができる。
【００１８】
また、流体圧が正圧と負圧間に変動される場合は、セパレータ面に平行な方向の圧力を、接着剤３３を押したり引いたりする両方向荷重でかけることができ、押すだけの荷重をかける場合に比べて、接着剤３３中の気泡や細孔を接着剤外に除去しやすくなる。また、接着剤３３中の気泡を吸引できるので、気泡３３のあった部分の細孔を潰すかより小さなサイズの細孔とすることができる。その結果、接着剤３３のシール性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の燃料電池の製造方法を実施している状態のセルおよび治具の断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の製造方法が適用される固体高分子型燃料電池スタックの側面図である。
【図３】図２の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図４】図２の燃料電池のセルの正面図である。
【符号の説明】
【００２０】
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
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（冷却水マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  ガスケット
３３  接着剤
３４、３５  加熱用外部枠
３６  荷重付与手段（たとえば、ボルト・ナット）
３７  耐熱性ゴムシール材
３８  電源
３９、４０  流体出入り口
４１  ロードセル
４２、４３  圧力計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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