(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルを得る工程、この単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、上記第１および第２の貫通孔に、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを挿嵌して、順次積層し単位ブロックを得る工程、並びに上記中間アダプターが挿嵌された複数個の単位ブロックを、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して積層体を得、上記シャフトを軸として上記積層体を締め付ける工程を施す燃料電池の製造方法。
【請求項２】
中間アダプターは円筒であって、第３の貫通孔はシャフトを挿嵌できる寸法で、上記円筒の外径は第１の貫通孔および第２の貫通孔に挿嵌できる寸法であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
第１の貫通孔、第２の貫通孔および中間アダプターの横断面形状が楕円形であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを上記第１および第２の貫通孔に挿嵌して順次積層してなる単位ブロックの複数個を、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して得られた積層体を、上記シャフトを軸として締め付けて得られた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する例えば電気自動車等で使用される燃料電池に関するものである。
以下、本明細書では、特に固体高分子型燃料電地について記述しているが、リン酸型燃料電池にも適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を有し、この電極の一方に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料と酸化剤とを電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
燃料電池には電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。例えば燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給し、外部回路より電流を取り出すときに下記化学反応式（１）および（２）で示されるような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                            ・・（１）
陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ          ・・（２）
【０００３】
この反応が生じるとき、燃料電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質体中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素と反応して水を生ずる。従って、上記のような燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
【０００４】
燃料電池から電流を取り出すとともに、ガスと水を効率よく流通させるセパレータ板が、例えば特開昭５８―１６１２７０号公報、特開昭５８―１６１２６９号公報および特開平３―２０６７６３号公報に示されている。
図６は、特開平３―２０６７６３号公報に示されている燃料電池における単位電池の概念的な構成を説明するための断面図であり、図において、１、２は導電性のセパレータ板、３は酸化剤電極、４は燃料電極、５は例えばプロトン導電性の固体高分子を用いた電解質体であり、電解質体５、酸化剤電極３および燃料電極４により単セル６を構成する。
【０００５】
図７は、上記図６に示した燃料電池におけるセパレータ板の上面を示す説明図であり、以下図６を併用して説明する。
即ち、２０はセパレータ板１の主表面、２１はセパレータ板１における電極３を支持する電極支持部分、２２はセパレータ板１に形成され酸化剤として空気を供給する酸化剤供給口、２３は空気を排出するための酸化剤排出口、２４は燃料を供給する燃料供給口、２５は燃料を排出するための燃料排出口である。
なお、上記セパレータ板１、２においては、主表面２０を削って形成された溝と電極３、４に囲まれた空間によってそれぞれ酸化剤流路１０および燃料流路１１が構成される。
【０００６】
以下、上記燃料電池の動作を上記図６および図７を用いて説明する。
セパレータ板１の酸化剤供給口２２より供給された酸素ガスは、並行して走る複数の酸化剤流路１０を通って酸化剤電極３に供給され、一方、水素ガスは、上記酸化剤と同様に、燃料ガス流路１１より燃料電極４に供給される。このとき、酸化剤電極３と燃料電極４は電気的に外部で接続されているので、酸化剤電極３側では上記化学反応式（２）の反応が生じ、酸化剤ガス流路１０を通って未反応ガスと水が酸化剤排出口２３に排出される。また、このとき燃料電極４側では上記化学反応式（１）の反応が生じ、未反応ガスは同様に燃料ガス流路１１を通じて燃料排出口２５より排出されることとなる。この反応によって得られた電子は電極３、４から電極支持部分２１を経由してセパレータ板１、２を通って流れる。
【０００７】
上記従来の燃料電池において、単セルあたりの電圧が１Ｖ以下であり、実用上の有用な１００Ｖ以上の電圧を得るためには、特開平４―１２１９１４号公報に記載のように、百枚以上の単セルとセパレータ板を積層する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、数百枚の単セルおよびセパレータ板を一度に積層するのは作業効率が悪く、積層した際の位置合わせ精度の確保が困難であるだけでなく、運転時の振動等によりずれが生じ、最悪ガス供給口や排出口のずれによるガス漏れ等の恐れがあるという課題があった。
【０００９】
本発明はかかる課題を解消するためになされたもので、組立精度の高い燃料電池積層体が低コスト、高効率で生産できる燃料電池の製造方法および運転中の機械的形状の安定性が向上した燃料電池を得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の燃料電池の製造方法は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルを得る工程、この単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、上記第１および第２の貫通孔に、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを挿嵌して、順次積層し単位ブロックを得る工程、並びに上記中間アダプターが挿嵌された複数個の単位ブロックを、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して積層体を得、上記シャフトを軸として上記積層体を締め付ける工程を施す方法である。
【００１１】
本発明に係る第２の燃料電池の製造方法は、上記第１の燃料電池の製造方法において、中間アダプターは円筒であって、第３の貫通孔はシャフトを挿嵌できる寸法で、上記円筒の外径は第１の貫通孔および第２の貫通孔に挿嵌できる寸法の方法である。
【００１２】
本発明に係る第３の燃料電池の製造方法は、上記第２の燃料電池の製造方法において、第１の貫通孔、第２の貫通孔および中間アダプターの横断面形状が楕円形のものである。
【００１３】
本発明に係る第１の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを上記第１および第２の貫通孔に挿嵌して順次積層してなる単位ブロックの複数個を、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して得られた積層体を、上記シャフトを軸として締め付けて得られたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の燃料電池の製造方法を工程順に示す工程図で、図中、６は単セル、３９は燃料流路と冷却水流路を設けたセパレータ板、４０は酸化剤流路を設けたセパレータ板、４５は単セル６およびセパレータ板３９、４０に設けた貫通孔（第１、第２の貫通孔）で、単セル６およびセパレータ板３９、４０が単セルの各電極に各流体が効率よく供給できるように対応して設けられている。７２は積層体を締め付けるためのシャフト、６０は中間アダプターで、内部にシャフト７２を挿嵌可能な貫通孔（第３の貫通孔）６２を設けている。７０は単セルとセパレータ板の貫通孔４５に、中間アダプター６０を挿嵌して、単セルとセパレータ板を、順次複数枚積層して得られた単位ブロックである。
【００１５】
即ち、有効面積２００ｃｍ2の単セル６およびセパレータ板３９、４０には同じ位置に直径１３ｍｍの貫通孔４５を設けている。これらを、外径１３ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒状の中間アダプター６０に順次はめあわせていき｛図１（ａ）｝、単位ブロック７０を形成する｛図１（ｂ）｝。次に、直径１０ｍｍのシャフト７２を、複数個の単位ブロック７０の貫通孔６２に挿嵌して、複数個の単位ブロック７０を積層して積層体を形成し｛図１（ｃ）｝、シャフト７２を軸として積層体を締め付け、燃料電池を製造する。図中、完全な積層体の締付け具、集電板等は図示していない。
【００１６】
なお、上記製造方法により燃料電池を製造することにより、１０セルを積層した単位ブロック７０は、縦１２０ｍｍ、横２５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ（中間アダプターの出っ張り含まず）、重さ７００ｇのブロックとなり、少しの力で移動できるので、力の弱い人でも扱える上、ロボットに扱わせてもブロックを傷めることなく扱える。さらに、この単位ブロックを１０個積層するだけで、余分な位置合わせ用の治具等を用いなくても１００セルの燃料電池積層体（１０ｋＷ相当）を形成させることができた。
【００１７】
本実施の形態において、発電規模に合わせた積層体の生産を一枚一枚の積層からではなく、保管や輸送が容易な１０セル単位の単位ブロックを重ねるだけで形成できるので作業効率やコストが大幅に削減できた。
また、中間アダプターを位置合わせの指標として、積層体中の各構成材の位置が確定した数セル毎の単位ブロックを形成することができ、また、中間アダプターにより積層体が結束しているので積層体の位置のずれが生じなくなり、従来積層体を横方向に設置すると重力により生じていたたわみがでなくなった。
さらに、本実施の形態においては、中間アダプターにはポリプロピレンを用いたので、中間アダプターが絶縁材となり、締付け用のシャフトを通じた電流の短絡等が生じることもなくなった。
【００１８】
実施の形態２．
実施の形態１において、中間アダプター６０として、図２に示すものを用いる他は実施の形態１と同様にして燃料電池を製造した。図２は本発明の第２の実施の形態で用いたセパレータ板の貫通孔４５に中間アダプター６０を挿入した状態を示すために、例えばセパレータ板３９の上面の一部を切り欠いて示す模式図で、６３は中間アダプター６０の外周部に設けた突起である。貫通孔４５に対し、中間アダプターの外径は１２．５ｍｍで０．２５ｍｍ隙間をもたせた。しかし、４方向に突起６３を有し、突起部を含めた外接円は１３．２ｍｍと貫通孔４５より若干大きくした。
実施の形態１では、単位ブロックを形成する際、寸法精度にばらつきがあると、セパレータ板や単セルをはめ込むことが困難な場合があったが、本実施の形態では、中間アダプター６０と貫通孔４５間には隙間があるので、楽に挿入することが可能となった。
さらに、隙間が大きすぎて単位ブロックから端部の構成材料が脱落することがあったが、本実施の形態では、突起６３が必ず貫通孔４５に圧接しているので、しっかりと固定することができた。つまり組立が容易になるとともに形成したブロックの機械的安定性も向上させることができた。
なお、上記突起を中間アダプターの貫通孔６２の内壁に設けてもよい。
【００１９】
実施の形態３．
実施の形態１において、中間アダプター６０を図３に示すものを用いる他は実施の形態１と同様にして燃料電池を製造した。図３は本実施の形態で用いた中間アダプター６０の側面の断面図であり、６５、６６は、隣接する単位ブロックの中間アダプターと重ねるための重ねしろ部で、重ねしろ部６５は直径１１．８ｍｍ、重ねしろ部６６は直径１２ｍｍであり、単位ブロックを積層した場合に飛び出した中間アダプターを重ねることで、厚みの調節や運転中の伸縮を行うことが可能となった。
【００２０】
実施の形態４．
実施の形態１において、中間アダプター６０を図４に示すものを用いる他は実施の形態１と同様にして燃料電池を製造した。図４は本実施の形態で用いた中間アダプター６０の側面の説明図であり、凸部６８および凹部６７を端部の重ねしろ部に設けた。凸部６８の外周は、本体と同径であり、積層体の厚みが変化して中間アダプター間の重なり具合が変化しても中間アダプターの外接円は常に一定となり、積層体の伸縮時にセパレータ板または単セルが中間マニホールドの重なり（接合）部分で位置が狂うことがなくなった。
【００２１】
実施の形態５．
図５は本発明の第５の実施の形態における、中間アダプター６０をセパレータ板３９に挿入した状態を示す断面図で、実施の形態１において、図５に示す断面形状の中間アダプター６０と図５に示す断面形状の貫通孔４５を有するセパレータ板を用いる他は実施の形態１と同様にして燃料電池を製造した。図５は、本発明の中間アダプター６０およびセパレータ板３９の貫通孔４５が長径１５ｍｍ、短径１２ｍｍの楕円で、真円でない場合の単位ブロックの上から見た平面模式図である。
【００２２】
実施の形態３、４では、中間アダプターにより積層体が結束しているので積層体のＸＹ方向の位置のずれはなかったが、中間アダプターを中心とした回転によるずれはまれにではあるが生じる可能性があった。しかし、本実施の形態のように断面形状を楕円にしたために回転を防止することができ、一本の貫通孔だけで完全な位置合わせとずれ防止ができるようになった。
なお、本実施の形態では断面形状を楕円としたが、方形や三角形のような真円からずれた形状であれば同様の効果を期待することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の第１の燃料電池の製造方法は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルを得る工程、この単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、上記第１および第２の貫通孔に、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを挿嵌して、順次積層し単位ブロックを得る工程、並びに上記中間アダプターが挿嵌された複数個の単位ブロックを、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して積層体を得、上記シャフトを軸として上記積層体を締め付ける工程を施す方法で、組立精度の高い燃料電池が低コスト、高効率で生産できるとともに、運転中の機械的形状の安定性も向上するという効果がある。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池の製造方法は、上記第１の燃料電池の製造方法において、中間アダプターは円筒であって、第３の貫通孔はシャフトを挿嵌できる寸法で、上記円筒の外径は第１の貫通孔および第２の貫通孔に挿嵌できる寸法の方法で、組立精度の高い燃料電池が低コスト、高効率で生産できるとともに、運転中の機械的形状の安定性も向上するという効果がある。
【００２５】
本発明に係る第３の燃料電池の製造方法は、上記第２の燃料電池の製造方法において、第１の貫通孔、第２の貫通孔および中間アダプターの横断面形状が楕円形の方法で、さらに組立精度の高い燃料電池が低コスト、高効率で生産できるとともに、運転中の機械的形状の安定性も向上するという効果がある。
【００２６】
本発明の第１の燃料電池は、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持し上記電極面に第１の貫通孔を有する単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給する燃料流路と上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給する酸化剤流路を備え主表面に第２の貫通孔を有するセパレータ板とを、シャフトを挿入するための第３の貫通孔を有する中間アダプターを上記第１および第２の貫通孔に挿嵌して順次積層してなる単位ブロックの複数個を、上記単位ブロックに挿嵌された中間アダプターの第３の貫通孔にシャフトを挿嵌して積層して得られた積層体を、上記シャフトを軸として締め付けて得られたもので、運転中の機械的形状の安定性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の燃料電池の製造方法の工程図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態で用いたセパレータ板の貫通孔に、中間アダプターを挿入した状態を示すために、セパレータ板の上面の一部を切り欠いて示す模式図である。
【図３】  本発明の第３の本実施の形態で用いた中間アダプターの側面の断面図である。
【図４】  本発明の第４の本実施の形態で用いた中間アダプターの側面の説明図である。
【図５】  本発明の第５の本実施の形態で用いた単位ブロックを上から見た平面模式図である。
【図６】  従来の燃料電池における単位電池の概念的な構成を説明するための断面図である。
【図７】  従来の燃料電池におけるセパレータ板の上面を示す説明図である。
【符号の説明】
６  単セル、３９、４０  セパレータ板、４５、６２  貫通孔、６０  中間アダプター、７０  単位ブロック、７１  積層体、７２  シャフト。
【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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