(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを金属のプレス成形品からなるセパレータを介して複数個積層させて積層体を形成し、該積層体の積層方向における両側位置に締付プレートを設け、これら締付プレート同士を、前記積層方向に沿うボルト部材により近接方向に締め付けて積層させる燃料電池スタックの製造方法であって、
前記積層体の積層方向における中間位置に中間プレートを設け、該中間プレートに前記積層方向に沿って前記ボルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制した状態で設け、
前記中間プレートの一方の面を上面とし該上面上に前記単位燃料電池セルおよび前記セパレータを縦方向に積層してから、上下を反転させることで前記中間プレートの他方の面を上面とし該上面上に前記単位燃料電池セルおよび前記セパレータを縦方向に積層することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルがセパレータを介して複数個積層されてなる燃料電池スタックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
上記燃料電池スタックの一例として、特開平８−１７１９２６号公報に開示されたものがある。この燃料電池スタックは、単位燃料電池セルおよびセパレータを複数個積層させて構成されるとともに積層方向における両端から電力を取り出す積層体が複数設けられ、これら積層体間に燃料等給排部材を設けるとともに、該燃料等給排部材を介して両側に配置される積層体のさらに両外側に、互いに近接する方向に加圧を行う加圧機構を設けてなるものである。
【０００５】
上記燃料電池スタックは、組み付け時に、燃料等給排部材および加圧機構を横方向に対向配置した状態で、これらの間に単位燃料電池セルおよびセパレータを順次横方向すなわち水平方向に積層させるように配置するものであるが、このように横方向に積層させる場合、単位燃料電池セルおよびセパレータの隣り合うもの同士の位置決めが困難であるという問題があった。
【０００６】
これに対し、単位燃料電池セルおよびセパレータを縦方向すなわち鉛直方向に順次積層させていけば、単位燃料電池セルおよびセパレータの隣り合うもの同士の位置決めを容易かつ正確に行いながら組み付けることができることになる。このため、例えば、図７に示すように、水平配置された一方のバックアッププレート（締付プレート）１００上に緩衝部材１０１を介して一方のエンドプレート１０２を載置させ、該エンドプレート１０２に絶縁板１０３および電極プレート１０４を載置させ、その上にすべての単位燃料電池セル１０５およびセパレータ１０６，１０７を単位燃料電池セル１０５の両側にセパレータ１０６，１０７が配置されるように順次積層させる。そして、その上に電極プレート１０４および絶縁板１０３を介して他方のエンドプレート１０２を載置させ、該エンドプレート１０２上に皿バネ１０８を介して他方のバックアッププレート（締付プレート）１００を設け、両側のバックアッププレート１００同士を連結させるボルト部材１０９をこれらバックアッププレート１００同士を近接させる方向に締め上げることにより組み付けるようにした。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の燃料電池スタックは、横方向に積層させるものに比して、単位燃料電池セル１０５およびセパレータ１０６，１０７の隣り合うもの同士の位置決め精度を向上させることができるものの、一方のバックアッププレート１００を基準に、その上にすべての単位燃料電池セル１０５およびセパレータ１０６，１０７を積層させるものであるため、各単位燃料電池セル１０５およびセパレータ１０６，１０７の形状誤差が累積されることでこれらの積層体１１０が全体として積層方向に曲がってしまうことがあった。よって、その上に他方のバックアッププレート１００を載置させてバックアッププレート１００同士をボルト部材１０９の締め付けで連結させると、燃料電池スタック自体が積層方向に曲がった形状となってしまう。このように傾いた形状となると、例えば車両への搭載時に他の構造物と干渉等を生じてしまう等の問題が生じてしまう。
【０００８】
したがって、本発明は、積層体の積層方向の曲がりを小さく抑えることで、車両への搭載時における他の構造物との干渉等を防止できる燃料電池スタックの製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池スタックの製造方法は、電解質膜（例えば実施の形態における固体高分子電解質膜１１）をアノード側電極（例えば実施の形態におけるアノード側電極１２）とカソード側電極（例えば実施の形態におけるカソード側電極１３）とで挟んで構成される単位燃料電池セル（例えば実施の形態における単位燃料電池セル１４）を金属のプレス成形品からなるセパレータ（例えば実施の形態におけるセパレータ１５，１６）を介して複数個積層させて積層体（例えば実施の形態における積層体１７）を形成し、該積層体の積層方向における両側位置に締付プレート（例えば実施の形態におけるバックアッププレート２９）を設け、これら締付プレート同士を、前記積層方向に沿うボルト部材（例えば実施の形態におけるスタッドボルト１９）により近接方向に締め付けて積層させる方法であって、前記積層体の積層方向における中間位置に中間プレート（例えば実施の形態における中間プレート３９）を設け、該中間プレートに前記積層方向に沿って前記ボルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制した状態で設け、前記中間プレートの一方の面を上面とし該上面上に前記単位燃料電池セルおよび前記セパレータを縦方向に積層してから、上下を反転させることで前記中間プレートの他方の面を上面とし該上面上に前記単位燃料電池セルおよび前記セパレータを縦方向に積層することを特徴としている。
【００１０】
このように積層体の積層方向における中間位置に中間プレートを設けており、言い換えれば、中間プレートに対して両側に積層体を分割してそれぞれの単位燃料電池セルおよびセパレータを積層させるため、単位燃料電池セルおよびセパレータの厚さ方向に累積する形状誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【００１１】
また、中間プレートに積層方向に沿ってボルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制した状態で設け、該ボルト部材により両側位置の締付プレート同士を近接方向に締め付けるため、締め付け後はボルト部材に対し中間プレートが積層方向に直交する方向の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等で該中間プレートがずれることを防止する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の燃料電池スタックの製造方法を図１〜図６を参照して以下に説明する。
【００１３】
図１は、この実施形態の燃料電池スタック１０を示すものであり、この燃料電池スタック１０は車載用のものである。燃料電池スタック１０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜（電解質膜）１１をアノード側電極１２とカソード側電極１３とで挟んで構成される単位燃料電池セル１４がセパレータ１５，１６を介して水平方向に複数個積層されることにより構成されるとともに両端から電力が取り出される積層体１７を一つ有している。そして、アノード側電極１２と隣接するセパレータ１５との間に水素ガスが供給され、一方、カソード側電極１３と隣接するセパレータ１６との間に空気が供給される。また、各セパレータ１５，１６の背面間の流路に冷却液が供給され、単位燃料電池セル１４を冷却するようになっている。
【００１４】
積層された単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６は、これらに設けられた複数の挿通穴１８に挿通される複数のスタッドボルト（ボルト部材）１９により積層方向における両側から締め付けられるものであり、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を積層させた積層体１７の両端部側には、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２０を有する電極プレート２１が設けられている。
【００１５】
一端側の電極プレート２１の外側には、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２２を有する絶縁板２３を介して、締め付け構造部２５が前記積層方向に設けられている。
【００１６】
この締め付け構造部２５は、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２６を有するエンドプレート２７と、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２８を有するバックアッププレート（締付プレート）２９と、これらの間に介装される皿ばね３０とで構成されている。
【００１７】
また、他端側の電極プレート２１の外側には、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２２を有する絶縁板２３を介して、締め付け構造部３２が前記積層方向に設けられている。
【００１８】
この締め付け構造部３２は、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２６を有するエンドプレート２７と、各スタッドボルト１９を挿通させる複数の挿通穴２８を有するバックアッププレート（締付プレート）２９と、これらの間に介装されるワッシャー等の緩衝部材３３とで構成されている。緩衝部材３３としては、皿バネ、あるいは内部流体を含んだ弾性体の袋（例えば薄い金属の袋）等でもよい。
【００１９】
そして、これら両締め付け構造部２５，３２により必要な締め付け力で積層体１７の各単位燃料電池セル１４に締め付け力を付与している。すなわち、積層方向における両端位置に設けられたバックアッププレート２９同士をスタッドボルト１９で近接方向に締め付けることで、一方のバックアッププレート２９を含む締め付け構造部２５と、他方のバックアッププレート２９を含む締め付け構造部３２とで積層体１７の各単位燃料電池セル１４を締め付けるのである。
【００２０】
そして、一端側の締め付け構造部２５のバックアッププレート２９には、車体への設置用の取付部材３５が設けられており、また、他端側の締め付け構造部３２のバックアッププレート２９にも、同様に車体への設置用の取付部材３６が設けられている。そして、各取付部材３５，３６が車体パネル３７に固定されるようになっている。
【００２１】
ここで、各締め付け構造部２５，３２のバックアッププレート２９に取付部材３５，３６を支持する場合を例にして説明したが、電極プレート２１の外側のエンドプレート２７に取付部材３５，３６を支持しても良い。
【００２２】
そして、この実施形態においては、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６が積層されて構成される積層体１７の積層方向の中間位置（具体的には中央位置）に、導電性の金属等からなる中間プレート３９が追加して設けられている。
【００２３】
この中間プレート３９には、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６の積層方向に沿う複数のスタッドボルト１９が、該積層方向に直交する方向の移動が規制された状態で複数の嵌合穴４２に設けられている。すなわち、図３に示すように、スタッドボルト１９には、中間所定位置に嵌合部４０と該嵌合部４０より大径のフランジ部４１とが隣り合って形成されており、これに合わせて、中間プレート３９の嵌合穴４２は、板厚方向における一方側にあって嵌合部４０を嵌合させる第１嵌合穴４３と板厚方向における他方側にあってフランジ部４１を嵌合させる第２嵌合穴４４とを有している。
【００２４】
そして、嵌合部４０を第１嵌合穴４３に、フランジ部４１を第２嵌合穴４４にそれぞれ嵌合させることで、スタッドボルト１９が、前記積層方向に直交する方向の移動が規制された状態で中間プレート３９に設けられることになる。ここで、スタッドボルト１９を積層方向に直交する方向に移動を規制するには、嵌合部４０またはフランジ部４１のいずれか一方を対応する嵌合穴に嵌合させてもよい。
なお、スタッドボルト１９が中間プレート３９に対し移動が規制される状態とは、嵌合、ネジ止め、ロウ付け、溶接等により、中間プレート３９とスタッドボルト１９とが実質的に相対位置がずれない状態のことである。
【００２５】
加えて、フランジ部４１が第１嵌合穴４３と第２嵌合穴４４との間の段部４５に当接することによって、スタッドボルト１９は中間プレート３９に対し前記積層方向に沿う一方向の移動も規制されることになる。
【００２６】
以上のような構成の燃料電池スタック１０を組み付ける場合、まず、各スタッドボルト１９を、その嵌合部４０を第１嵌合穴４３に嵌合させかつそのフランジ部４１を第２嵌合穴４４に嵌合させるようにして中間プレート３９の各嵌合穴４２に嵌合させ、この状態で、第２嵌合穴４４を下側に配置するように中間プレート３９を図示せぬ台上に載置させる。なお、このとき、台で各スタッドボルト１９のフランジ部４１を支持することで中間プレート３９からの各スタッドボルト１９の抜けを防止する。
【００２７】
そして、このときの中間プレート３９の上面を基準面とし、この上に、セパレータ１５、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１６をそれぞれの各挿通穴１８に各スタッドボルト１９を挿通させつつ積層体１７の積層全数の１／２の数だけ縦方向に積層させる。その上に、電極プレート２１をその各挿通穴２０に各スタッドボルト１９を挿通させつつ載置させ、さらにその上に、絶縁板２３をその各挿通穴２２に各スタットボルト１９を挿通させつつ載置させ、その上に、エンドプレート２７をその各挿通穴２６に各スタットボルト１９を挿通させつつ載置させる。
【００２８】
さらに、このエンドプレート２７上に緩衝部材３３を載置させ、最後に、バックアッププレート２９をその各挿通穴２８に各スタッドボルト１９を挿通させつつ載置させる。そして、各スタッドボルト１９にナット４７を螺合させることで、該ナット４７とスタッドボルト１９のフランジ部４１とで、中間プレート３９と、バックアッププレート２９と、これらの間にある単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６等とを締め付ける（図４参照）。
【００２９】
次に、上記を上下反転させる。
そして、このときの中間プレート３９の上面を基準面とし、この上に、上記と同様に、セパレータ１５、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１６をそれぞれの各挿通穴１８に各スタッドボルト１９を挿通させつつ積層体１７の積層全数の１／２の数だけ縦方向に積層させる。その上に、電極プレート２１をその挿通穴２０に各スタッドボルト１９を挿通させつつ載置させ、さらにその上に、絶縁板２３をその各挿通穴２２に各スタットボルト１９を挿通させつつ載置させ、その上に、エンドプレート２７をその各挿通穴２６に各スタットボルト１９を挿通させつつ載置させる。
【００３０】
さらに、このエンドプレート２７上に皿ばね３０を載置させ、最後に、バックアッププレート２９をその挿通穴２８にスタッドボルト１９を挿通させつつ載置させる。そして、各スタッドボルト１９にナット４７を螺合させることで、該ナット４７と中間プレート３９とで中間プレート３９とバックアッププレート２９との間にある単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を締め付ける（図５参照）。
【００３１】
そして、適宜のタイミングでバックアッププレート２９に設置用の取付部材３５，３６を取り付けることになり、燃料電池スタック１０は、その後、横に倒された状態で、これら各取付部材３５，３６において車体パネル３７に固定されることになる。
【００３２】
以上に述べた本実施形態の燃料電池スタック１０によれば、両端から電力が取り出される一つの積層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート３９を設けており、言い換えれば、中間プレート３９に対して両側に積層体１７を分割してそれぞれの単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を積層させるため、厚さ方向に累積する形状誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【００３３】
したがって、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を縦方向に積層させて積層体１７を形成する際に、積層体１７の積層方向の曲がりを小さく抑えることができ、その結果、車両への搭載時における他の構造物との干渉等を防止することができる。特に、セパレータ１５，１６を形状誤差の比較的発生しやすい金属のプレス成型品とした場合に効果的である。
【００３４】
また、中間プレート３９に積層方向に沿って各スタッドボルト１９を積層方向に直交する方向の移動を完全に規制した状態で設け、これらスタッドボルト１９により両端位置のバックアッププレート２９同士を近接方向に締め付けるため、締め付け後はスタッドボルト１９に対し中間プレート３９が積層方向に直交する方向の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等で該中間プレート３９がずれることを防止する。
【００３５】
したがって、中間プレート３９のスタッドボルト１９に対する移動を規制しない構造に比して、中間プレート３９のずれを抑えることができる。しかも、中間プレート３９に設けられたスタッドボルト１９が単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６を積層させる際のラフガイドとなり、積層作業の作業性を向上させることができる。
【００３６】
なお、以上の実施形態においては、中間プレート３９の第１嵌合穴４３および第２嵌合穴４４に一体物のスタッドボルト１９の嵌合部４０およびフランジ部４１を嵌合させることにより、中間プレート３９に対するスタッドボルト１９の前記積層方向に沿う一方向の移動と前記積層方向に直交する方向の移動とを規制する場合を例にとり説明したが、図６に示すように変更することも可能である。
【００３７】
すなわち、スタッドボルト１９を軸線方向において二つの分割体１９ａ，１９ｂに分割し、これら分割体１９ａ，１９ｂのそれぞれの分割側にオネジ部４９を形成するとともに、中間プレート３９にネジ穴５０を形成して、各分割体１９ａ，１９ｂをオネジ部４９において中間プレート３９のネジ穴５０に螺合固定する。このようにして、中間プレート３９に対しスタッドボルト１９を固定状態として、前記積層方向および前記積層方向に直交する方向の移動を規制するのである。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、一つの積層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート３９を一つ設ける場合を例にとり説明したが、一つの積層体１７の積層方向における中間位置に中間プレート３９を複数間隔をあけるように設けてもよい。この場合、単位燃料電池セル１４およびセパレータ１５，１６の積層数を等分割する位置に各中間プレート３９を設けるのが好ましい。
【００３９】
さらに、上記した中間プレート３９にも取付部材を取り付け、該取付部材を介して中間プレート３９を車体パネル３７に固定するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の燃料電池スタックの製造方法によれば、積層体の積層方向における中間位置に中間プレートを設けており、言い換えれば、中間プレートに対して両側に積層体を分割してそれぞれの単位燃料電池セルおよびセパレータを積層させるため、単位燃料電池セルおよびセパレータの厚さ方向に累積する形状誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【００４１】
したがって、積層体の積層方向の曲がりを小さく抑えることができ、その結果、車両への搭載時における他の構造物との干渉等を防止することができる。特に、セパレータを形状誤差の比較的発生しやすい金属のプレス成型品とした場合に効果的である。
【００４２】
また、中間プレートに積層方向に沿ってボルト部材を前記積層方向に直交する方向の移動を規制した状態で設け、該ボルト部材により両側位置の締付プレート同士を近接方向に締め付けるため、締め付け後はボルト部材に対し中間プレートが積層方向に直交する方向の移動が規制された状態となり、その後受ける振動等で該中間プレートがずれることを防止する。
【００４３】
したがって、中間プレートのボルト部材に対する移動を規制しない構造にする場合に比して、中間プレートのずれを抑えることができる。しかも、中間プレートに設けられたボルト部材が単位燃料電池セルおよびセパレータを積層させる際のラフガイドとなり、その結果、積層作業の作業性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの車載状態を示す側断面図。
【図２】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの単位燃料電池セルおよびセパレータを示す部分拡大断面図。
【図３】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの中間プレートおよびスタッドボルトを示す部分拡大断面図。
【図４】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの組み付け時の一状態を示す側断面図。
【図５】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの組み付け時の別の状態を示す側断面図。
【図６】本発明の一実施形態の燃料電池スタックの中間プレートおよびスタッドボルトの別の例を示す部分拡大断面図。
【図７】燃料電池スタックの一例についての組み付け時の状態を示す側断面図。
【符号の説明】
１０  燃料電池スタック
１１  固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２  アノード側電極
１３  カソード側電極
１４  単位燃料電池セル
１５，１６  セパレータ
１７  積層体
１９  スタッドボルト（ボルト部材）
２９  バックアッププレート（締付プレート）
３９  中間プレート
【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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