(57)【要約】【課題】  少なくとも一組の単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持する構造とし、これを通して、燃料電池スタックの生産性の向上を図る。【解決手段】  燃料電池スタック用構成体２０は、固体高分子電解質膜４１に一対の電極４２、４３が接合された膜電極接合体４０と、流体を流通させるための流路溝５３〜５５が形成されるとともに膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータ５１、５２とを含む単セル構成部品３０を、少なくとも一組含んでいる。燃料電池スタック用構成体はさらに、少なくとも一組の単セル構成部品を単セルを構成するように積層してなる積層体３１の外周全周を包み込むように設けられ、単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持するための挟持手段６０を含んでいる。挟持手段は、流体の漏れをシールするシール部６１が形成されている。【選択図】  図２
2005276482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを構成するための構成体であって、
固体電解質膜に一対の電極が接合された膜電極接合体と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに前記膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータとを含む単セル構成部品を、少なくとも一組含み、
前記少なくとも一組の単セル構成部品を単セルを構成するように積層してなる積層体の外周全周を包み込むように設けられ、前記単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持するための挟持手段を含み、
前記挟持手段はさらに、前記流体の漏れをシールするシール部が形成されてなる燃料電池スタック用構成体。
【請求項２】
前記挟持手段は、樹脂からなる成形材料を前記積層体の外周全周にわたって樹脂モールド成形することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用構成体。
【請求項３】
前記挟持手段の前記シール部は、前記積層体との接触面積を大きくするための面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用構成体。
【請求項４】
燃料電池スタックを構成するための構成体を製造する方法であって、
固体電解質膜に一対の電極が接合された膜電極接合体と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに前記膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータとを含む単セル構成部品を、少なくとも一組、単セルを構成するように成形型内に積層し、
前記成形型内に積層された積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体の外周全周にわたって樹脂からなる成形材料を樹脂モールド成形して、前記積層体の外周全周を包み込むように設けられる挟持手段を形成してなり、
前記挟持手段によって、前記単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持し、さらに、前記流体の漏れをシールするようにしてなる燃料電池スタック用構成体の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池スタック用構成体を、シール部材を介して複数個積層することにより形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用構成体、燃料電池スタック用構成体の製造方法、および燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池スタックは、単セルを構成する単セル構成部品を多数積層して構成されている。単セル構成部品は、固体電解質膜に一対の電極が接合された膜電極接合体と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータと、を含んでいる（例えば、特許文献１、２参照。）。燃料電池スタックは、特許文献１に記載されているように、多数の膜電極接合体と多数の各セパレータとを接着剤を塗布して貼り合わせ、接着剤を硬化させることによって形成されている。
【０００３】
しかしながら、接着剤の塗布および乾燥に比較的長時間を要することから、燃料電池スタックの生産性が悪いという問題がある。
【特許文献１】特開平７−２４９４１７号公報
【特許文献２】特開２００１−８５０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックの生産性の向上に寄与し得る、燃料電池スタック用構成体、燃料電池スタック用構成体の製造方法、および燃料電池スタック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】
【０００５】
上記目的を達成するための請求項１に記載の本発明は、燃料電池スタックを構成するための構成体であって、
固体電解質膜に一対の電極が接合された膜電極接合体と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに前記膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータとを含む単セル構成部品を、少なくとも一組含み、
前記少なくとも一組の単セル構成部品を単セルを構成するように積層してなる積層体の外周全周を包み込むように設けられ、前記単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持するための挟持手段を含み、
前記挟持手段はさらに、前記流体の漏れをシールするシール部が形成されてなる燃料電池スタック用構成体である。
【０００６】
また、上記目的を達成するための請求項４に記載の本発明は、燃料電池スタックを構成するための構成体を製造する方法であって、
固体電解質膜に一対の電極が接合された膜電極接合体と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに前記膜電極接合体を挟持するための一対のセパレータとを含む単セル構成部品を、少なくとも一組、単セルを構成するように成形型内に積層し、
前記成形型内に積層された積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体の外周全周にわたって樹脂からなる成形材料を樹脂モールド成形して、前記積層体の外周全周を包み込むように設けられる挟持手段を形成してなり、
前記挟持手段によって、前記単セル構成部品を接着剤を用いることなく挟持し、さらに、前記流体の漏れをシールするようにしてなる燃料電池スタック用構成体の製造方法である。
【０００７】
また、上記目的を達成するための請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池スタック用構成体を、シール部材を介して複数個積層することにより形成されていることを特徴とする燃料電池スタックである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池スタック用構成体によれば、接着剤を用いることなく、単セル構成部品が挟持手段によって挟持されている。単セル構成部品を接着剤により組み立てる形態に比べて、接着剤を塗布したり、接着剤を乾燥させたりする作業時間が不要となるため、単セル構成部品を組み立てるための作業時間を短縮できる。したがって、燃料電池スタックの生産性が向上する。さらに、挟持手段のシール部により、流体の漏れが防止され、各単セルの性能が維持される。
【０００９】
本発明の燃料電池スタック用構成体の製造方法によれば、樹脂モールド成形によって挟持手段を形成しているため、当該挟持手段を積層体の外周全周にわたって容易に形成できる。また、単セル構成部品を一体的に挟持するため、単セル構成部品を接着剤により組み立てる形態に比べて、作業時間を短縮できる。
【００１０】
本発明の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタック用構成体同士を接着していないので、燃料電池スタックを個々の燃料電池スタック用構成体に容易に分解することができる。いずれかの単セルに不良が生じた場合には、燃料電池スタック用構成体というブロック単位で交換できるため、単セル構成部品を接着剤を用いて接着しながら組み立てられた燃料電池スタックに比較して、交換作業を迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す正面図、図２は、図１に示される燃料電池スタック用構成体２０を示す断面図、図３は、図２に示される燃料電池スタック用構成体２０の要部を拡大して示す断面図である。以下、燃料電池スタック用構成体２０を、単に、スタック構成体２０とも略称する。
【００１３】
図１を参照して、燃料電池スタック１０は、スタック構成体２０をシール部材１１を介して複数個積層することにより形成されている。シール部材１１は、スタック構成体２０同士を接着する機能はない。シール部材１１としては、Ｏリングや、塗布されるシール剤を好適に使用できる。積層されたスタック構成体２０は、タイロッドボルト１２を介して連結される上下のエンドプレート１３、１４によって締め付けられている。
【００１４】
図２を参照して、図示するスタック構成体２０は、単セル構成部品３０を二組含んでいる。一組の単セル構成部品３０は、固体高分子電解質膜４１（固体電解質膜に相当する）に一対の電極４２、４３が接合された膜電極接合体４０と、流体を流通させるための流路溝５３〜５５が形成されるとともに膜電極接合体４０を挟持するための一対のセパレータ５１、５２とを含んでいる。
【００１５】
膜電極接合体４０の固体高分子電解質膜４１は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜４１の両面に、電極４２、４３として機能する一対のガス拡散層がホットプレス法により接合されている。膜電極接合体４０はさらに、固体高分子電解質膜４１の外縁部を挟持する一対のフレーム４４、４５を含んでいる。フレーム４４、４５は、膜電極接合体４０のハンドリング性を高めるために用いられている。フレーム４４、４５は、樹脂材料から成形され、両面テープ４６を介して固体高分子電解質膜４１に貼り付けられている（図３参照）。
【００１６】
電極４２側のセパレータ５１には、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝５３が形成されている。電極４３側のセパレータ５２には、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝５４と、冷却水を流通させるための流路溝５５とが形成されている。流路溝５３〜５５の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。セパレータ５１、５２は、黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料を成形型で加圧成形することにより、流路溝５３〜５５をなす凹部を備えるように製造されている。
【００１７】
スタック構成体２０における最上位のセパレータ５１には、前記シール部材１１を配置するための溝部５６が形成されている。スタック構成体２０をシール部材１１を介して積層した場合、シール部材１１が、上位側のスタック構成体２０における流路溝５５を流通する冷却水の漏れを防止する。
【００１８】
スタック構成体２０は、二組の単セル構成部品３０を接着剤を用いることなく挟持するための挟持手段６０を含んでいる。挟持手段６０は、二組の単セル構成部品３０を２つの単セルを構成するように積層してなる積層体３１の外周全周を包み込むように設けられている。挟持手段６０はさらに、流体の漏れをシールするシール部６１が形成されている。シール部６１は、膜電極接合体４０のフレーム４４とセパレータ５１との間、フレーム４５とセパレータ５２との間、およびセパレータ５１とセパレータ５２との間に位置する。
【００１９】
挟持手段６０は、樹脂からなる成形材料を積層体３１の外周全周にわたって樹脂モールド成形することによって形成されている。成形材料に用いる樹脂は特に限定されないが、例えば、１液性加熱硬化型オレフィン系樹脂のような熱硬化性樹脂を用いることができる。挟持手段６０の樹脂モールド成形については後述するが、１液性加熱硬化型オレフィン系樹脂を成形型内のキャビティに圧送充填することによって挟持手段６０が形成されている。挟持手段６０の上端には、最上位のセパレータ５１に係止する上部係止片６２が形成され、挟持手段６０の下端には、最下位のセパレータ５２に係止する下部係止片６３が形成されている。上部係止片６２および下部係止片６３により、積層体３１を挟持した状態が維持される。
【００２０】
挟持手段６０のシール部６１は、積層体３１との接触面積を大きくするための面６１ａが形成されている。具体的には、フレーム４４、４５とセパレータ５１、５２との境界面が積層体３１の外周に臨む部位、およびセパレータ５１とセパレータ５２との境界面が積層体３１の外周に臨む部位が面取りされ、樹脂が食い込む断面三角形状を有する凹部３２が積層体３１に形成されている。面取りした分だけ、面取りしない形態と比較して、積層体３１とシール部６１との接触面積が大きくなる。
【００２１】
かかるスタック構成体２０にあっては、接着剤を用いることなく、二組の単セル構成部品３０が挟持手段６０によって挟持されている。単セル構成部品３０を接着剤により組み立てる形態に比べて、接着剤を塗布したり、接着剤を乾燥させたりする作業時間が不要となるため、二組の単セル構成部品３０を組み立てるための作業時間を短縮できる。したがって、燃料電池スタック１０の生産性が向上する。さらに、挟持手段６０のシール部６１により、膜電極接合体４０のフレーム４４とセパレータ５１との間、フレーム４５とセパレータ５２との間、およびセパレータ５１とセパレータ５２との間からの流体の漏れが防止され、各単セルの性能が維持される。
【００２２】
樹脂モールド成形によって挟持手段６０を形成しているため、当該挟持手段６０を積層体３１の外周全周にわたって容易に形成できる。また、二組の単セル構成部品３０を一体的に挟持するため、単セル構成部品３０を接着剤により組み立てる形態に比べて、作業時間を短縮できる。したがって、燃料電池スタック１０の生産性が向上する。
【００２３】
各シール部６１に、積層体３１との接触面積を大きくするための面６１ａを形成したので、積層体３１とシール部６１との密着性が高まる。したがって、流体の漏れをより確実に防止できる。また、挟持手段６０は、樹脂製であり、ある程度の弾性を備えている。実施形態のように、シール部６１が積層体３１に食い込む形状にすると、当該シール部６１が、積層体３１に作用する振動や、熱膨張に伴う変形を吸収する機能をも発揮する。この観点からも、シール性能が高まる。
【００２４】
燃料電池スタック１０は、シール部材１１を介して複数個のスタック構成体２０を積層して形成されている。スタック構成体２０同士を接着していないので、燃料電池スタック１０を個々のスタック構成体２０に容易に分解することができる。このため、いずれかの単セルに不良が生じた場合には、その単セルを含むスタック構成体２０だけを新しいスタック構成体２０に交換することができる。スタック構成体２０というブロック単位で交換できるため、単セル構成部品３０を接着剤を用いて接着しながら組み立てられた燃料電池スタックに比較して、交換作業を迅速に行うことができる。単セル構成部品３０を無駄にすることも少なくなる。また、シール部材１１が、燃料電池スタック１０に作用する振動や、燃料電池スタック１０全体の変形を吸収する機能を発揮し、燃料電池スタック１０の性能が維持される。
【００２５】
図４は、燃料電池スタック用構成体２０を製造するための成形装置７０を示す断面図である。
【００２６】
成形装置７０は、二組の単セル構成部品３０が積層される成形型７１と、成形型７１内に形成されるキャビティ７１ａに樹脂からなる成形材料７８を圧送によって充填する充填装置（図示せず）と、を有する。本実施形態においては、成形材料７８には、１液性加熱硬化型オレフィン系樹脂を用いている。
【００２７】
前記成形型７１は、下型７２と、下型７２内に上下動自在に設けられた押し出しプレート７３と、下型７２に対して上下動自在に設けられた上型７４と、を有する。下型７２には、成形材料７８を硬化させるために下型７２を加熱する加熱手段７５と、下型７２を冷却する冷却手段７６と、が設けられている。加熱手段７５は、例えば電気ヒータから構成されている。冷却手段７６は、例えば、水などの冷却媒体を流す通路から構成されている。二組の単セル構成部品３０は、下型７２内の押し出しプレート７３上に積層される。上型７４は、成形型７１内に積層された積層体３１を積層方向に加圧する加圧力を、積層体３１に付与する。積層体３１の外周と成形型７１内面との間に、キャビティ７１ａが形成される。押し出しプレート７３には、成形されたスタック構成体２０を下型７２から持ち上げるために、上方に向けて駆動されるピン７７が連結されている。
【００２８】
スタック構成体２０を製造する際には、まず、二組の単セル構成部品３０を、単セルを構成するように、押し出しプレート７３上に積層する。つまり、セパレータ５２、膜電極接合体４０、セパレータ５１、セパレータ５２、膜電極接合体４０、セパレータ５１の順に、押し出しプレート７３上に積層する。フレーム４４、４５とセパレータ５１、５２との境界面が積層体３１の外周に臨む部位、およびセパレータ５１とセパレータ５２との境界面が積層体３１の外周に臨む部位は、予め面取りされている。単セル構成部品３０を積層することによって、断面三角形状を有する凹部３２が積層体３１に形成される。
【００２９】
上型７４を下型７２に向けて駆動し、積層体３１を積層方向に加圧し、膜電極接合体４０およびセパレータ５１、５２を密着させる。積層体３１を積層方向に加圧しながら、充填装置から、成形材料７８をキャビティ７１ａに圧送し充填する。所定量の成形材料７８をキャビティ７１ａに充填した後、加熱手段７５を作動させ、下型７２を所定温度まで加熱し、成形材料７８を硬化させる。これにより、積層体３１が外周全周にわたって樹脂モールド成形され、積層体３１の外周全周を包み込むように設けられる挟持手段６０が形成される。また、挟持手段６０のシール部６１が、積層体３１の凹部３２に食い込むように成形される。
【００３０】
成形材料７８の硬化が完了すると、加熱手段７５の作動を停止する一方、冷却手段７６を作動させ、下型７２を冷却する。スタック構成体２０の温度が下がると、冷却段の作動を停止する一方、ピン７７を上方に向けて駆動する。押し出しプレート７３上で成形されたスタック構成体２０は、下型７２から持ち上げられ、下型７２から取り出される。
【００３１】
上述した一連の工程により、樹脂モールド成形された挟持手段６０によって、単セル構成部品３０を接着剤を用いることなく挟持し、さらに、流体の漏れをシールするようにしてなるスタック構成体２０を得る。
【００３２】
（変形例）
挟持手段６０のシール部６１は、適宜の形状を採用できる。例えば、凹部３２を積層体３１に形成するのに代えて、挟持手段６０に食い込む凸部を積層体３１に形成してもよい。かかる形態によっても、積層体３１との接触面積を大きくするための面がシール部に形成され、流体の漏れをより確実に防止できる。さらに、凹部３２および凸部の両者を積層体３１に形成してもよい。
【００３３】
二組の単セル構成部品３０を含むスタック構成体２０について説明したが、燃料電池スタック１０の生産性の向上を図るという本発明の目的は、一組の単セル構成部品３０を含むスタック構成体２０、あるいは、三組以上の単セル構成部品３０を含むスタック構成体２０によっても達成できる。
【００３４】
一対のフレーム４４、４５を含む膜電極接合体４０について説明したが、フレーム４４、４５を含まない膜電極接合体であっても、本発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、燃料電池スタック用構成体を製造する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図である。
【図２】図１に示される燃料電池スタック用構成体を示す断面図である。
【図３】図２に示される燃料電池スタック用構成体の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】燃料電池スタック用構成体を製造するための成形装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０        燃料電池スタック、
１１        シール部材、
１２        タイロッドボルト、
１３、１４  上下のエンドプレート、
２０        スタック構成体（燃料電池スタック用構成体）、
３０        単セル構成部品、
３１        積層体、
３２        凹部、
４０        膜電極接合体、
４１        固体高分子電解質膜（固体電解質膜）、
４２、４３  電極、
４４、４５  フレーム、
５１、５２  セパレータ、
５３〜５５  流路溝、
６０        挟持手段、
６１        シール部、
６１ａ        積層体との接触面積を大きくするための面、
６２        上部係止片、
６３        下部係止片、
７０        成形装置、
７１        成形型、
７１ａ      キャビティ、
７２        下型、
７４        上型、
７５        加熱手段、
７６        冷却手段、
７８        成形材料。
【図１】
2005276482.tif 000003
【図２】
2005276482.tif 000004
【図３】
2005276482.tif 000005
【図４】
2005276482.tif 000006