(57)【要約】【課題】簡略化された燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】シート状の一対の電極２ａ、２ｂ、及び、一対の電極によって挟持された電解質膜１を備える膜電極構造体３の両面側に磁性部材４ａ、４ｂを配設することによって、一対の電極及び電解質膜を仮止めする工程、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の一対の電極、及び、前記一対の電極によって挟持された電解質膜、を備える膜電極構造体の両面側に、磁性部材を配設することによって、前記一対の電極及び前記電解質膜を仮止めする工程、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記磁性部材が、前記膜電極構造体を挟持する一対のセパレータに刻設されたガス流路に沿って配設され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】
前記磁性部材が複数の磁石の集まりであって、前記複数の磁石が柔軟な糸状体によって連結されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記磁性部材が柔軟な線状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記磁性部材が前記ガス流路のガスマニホールド側開口部から排出される工程を含む、請求項３又は４に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、簡略化された燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
平板型の燃料電池は、単セルが数十から数百層に積層された燃料電池スタックとして使用される。そして、燃料電池の最小単位である単セル自体も、複数の部材の積層体である。具体的には、単セルは、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）と、を備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という。）、及び、該ＭＥＡの両面側にそれぞれ配設される集電体（セパレータ）を備えている。
【０００３】
平板型の燃料電池の運転時には、セパレータに刻設された反応ガス供給用の溝（ガス流路）を通って、アノードに水素含有ガス（以下「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。
【０００４】
このような平板型の燃料電池に関する技術が、これまでにいくつか開示されている。例えば、特許文献１には、固体高分子膜をガス拡散電極で狭持した電池セルをその両面に配したセパレータを介して順次積層することにより構成した燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対峙するガス拡散電極とセパレータの少なくとも一つの積層面に互いに吸着力が生じるように磁化された磁化領域を形成したことを特徴とする燃料電池に関する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、燃料電池セルを収納するケースを備えた燃料電池であって、該ケースに、燃料電池セルを挟んで互いに引き合う磁性部材が設けられていることを特徴とする燃料電池に関する技術が開示されており、特許文献３には、複数の単セルを積層させて形成されるモジュールユニット又は単セルとモジュールユニット又は単セルユニットとが互いに磁力により挟持されていることを特徴とする燃料電池スタックに関する技術が開示されている。さらに、特許文献４には、電極接合体が形状を保持する対をなす形状保持部材に挟持され、各形状保持部材は互いに引き合う磁力を有していることを特徴とする燃料電池のセルに関する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２９１３９号公報
【特許文献２】特開２００５−２２８５０６号公報
【特許文献３】特開２００７−８０６５９号公報
【特許文献４】特開２００７−８７８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１〜４に開示されているような従来の平板型の燃料電池では、燃料電池を製造する際、セパレータで電解質膜や触媒層などを挟持する前に、それらを一体化させておく工程が不可欠であった。
【０００８】
そこで、本発明は、電解質膜や触媒層などを事前に一体化させておく必要がない、簡略化された燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、シート状の一対の電極、及び、一対の電極によって挟持された電解質膜、を備える膜電極構造体の両面側に、磁性部材を配設することによって、一対の電極及び電解質膜を仮止めする工程、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法である。
【００１０】
ここに、「一対の電極」とは、アノード及びカソードを意味する。該電極には、電気化学反応の触媒として機能する物質と電気化学反応により生じたプロトンの通り道となる物質（以下、「プロトン伝導性物質」ということがある。）とを備えている触媒層の他に、反応ガスを触媒層へと均一に供給させやすくする等の目的で、カーボンペーパー、カーボンクロス等からなるガス拡散層や撥水層が備えられても良い。電気化学反応の触媒として機能する物質としては、白金や白金合金等を例示することができ、プロトン伝導性物質としては、後述するプロトン伝導性ポリマー等を例示することができる。また、「電解質膜」とは、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜を意味する。プロトン伝導性ポリマーとしては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。以下において、単に「Ｎａｆｉｏｎ」ということがある。）のほか、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。
【００１１】
加えて、「磁性部材」とは、磁性を有する部材を意味し、「膜電極構造体の両面側に磁性部材を配設することによって、一対の電極及び電解質膜を仮止めする」とは、一対の電極及び電解質膜が重ねられただけの状態の膜電極構造体を、磁性部材で挟むことによって、その磁性部材の磁力を利用して、一対の電極及び電解質膜の相対的な位置がずれないように固定することを意味する。
【００１２】
上記本発明の燃料電池の製造方法において、磁性部材が、膜電極構造体を挟持する一対のセパレータに刻設されたガス流路に沿って配設されることが好ましい。
【００１３】
ここに、「ガス流路」とは、反応ガスを電極に供給するために、セパレータに刻設されている溝を意味する。
【００１４】
上記本発明の燃料電池の製造方法において、磁性部材が複数の磁石の集まりであって、該複数の磁石が柔軟な糸状体によって連結されていることが好ましい。
【００１５】
上記本発明の燃料電池の製造方法において、磁性部材が柔軟な線状であることが好ましい。
【００１６】
上記本発明の燃料電池の製造方法において、磁性部材がガス流路のガスマニホールド側開口部から排出される工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、一対の電極及び電解質膜を磁性部材で仮止めした後にセパレータで挟持することによって、燃料電池を作製することができる。すなわち、一対の電極及び電解質膜を熱圧着などで一体化させるための工程が不要となり、簡略化された燃料電池の製造方法を提供することができる。
【００１８】
また、上記発明において、磁性部材がセパレータに刻設されたガス流路に沿って配設されることで、後で磁性部材を取り除くことが容易になる。
【００１９】
さらに、上記発明において、磁性部材が複数の磁石の集まりであって、その複数の磁石が柔軟な糸状体によって連結されている、又は、磁性部材が柔軟な線状であることによって、磁性部材をセパレータに刻設されたガス流路に沿って配設することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について、具体的に説明する。図１及び図２は、本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部を概略的に示す図である。図１及び図２に示した各図は、それぞれ燃料電池を構成する各部材の厚さ方向の断面の一部を示す図であり、図が煩雑になるのを防ぐため一部符号を省略して示している。
【００２１】
本発明の燃料電池の製造方法は、シート状の一対の電極、及び、その一対の電極によって挟持された電解質膜、を備える膜電極構造体の両面側に、磁性部材を配設することによって、一対の電極及び電解質膜を仮止めする工程を含むことを特徴としている。
【００２２】
本発明では、まず、ガス流路６ａが刻設されたセパレータ５ａを用意し、図１（ａ）に示すように、ガス流路６ａに磁性部材４ａを配設する。
【００２３】
そして、図１（ｂ）に示すように、ガス流路６ａに磁性部材４ａが配設されたセパレータ５ａの上に、シート状に形成されたアノード２ａを載せる。さらに、図１（ｃ）に示すように、アノード２ａの上に電解質膜１を重ね、さらに、図１（ｄ）に示すように、電解質膜１の上に、シート状に形成されたカソード２ｂを重ねる。以下、アノード２ａ及びカソード２ｂに電解質膜１が挟持された積層体をＭＥＡ３という。
【００２４】
次に、図２（ｅ）に示すように、ガス流路６ｂに磁性部材４ｂが配設されたセパレータ５ｂを、ＭＥＡ３の上に配設する。セパレータ５ｂを配設する際に、磁性部材４ａと磁性部材４ｂの間に働く磁力などの影響によって磁性部材４ｂの位置がずれてしまうような場合には、セパレータ５ｂを配設する前に、磁性を有するフィルム７を、ガス流路６ｂを覆うように這わせておくことが好ましい。フィルム７が磁性部材４ａと磁性部材４ｂの間に介在している状態では、磁場が遮断されているので、磁性部材４ａと磁性部材４ｂは引き付けあわない。すなわち、磁性部材４ｂは磁性部材４ａの磁場の影響を受けない。また、フィルム７を用いることによって、セパレータ５ｂを配設する際に、磁性部材４ｂが重力で落下することも防げる。
【００２５】
そして、フィルム７を取り除くと、図２（ｆ）に示すように、磁性部材４ａと磁性部材４ｂは引き付けあうようになる。このように、磁性部材４ａと磁性部材４ｂが引き付けあうことによって、電解質膜１、アノード２ａ及びカソード２ｂの相対的な位置を固定（仮止め）することができる。
【００２６】
このとき、磁性部材４ａ（磁性部材４ｂ）がセパレータ５ａ（セパレータ５ｂ）及びＭＥＡ３の間に挟まっていないか確認することが好ましい。磁性部材４ａ（磁性部材４ｂ）がセパレータ５ａ（セパレータ５ｂ）及びＭＥＡ３の間に挟まっていないか確認する具体的な方法としては、例えば、セパレータ５ａ、セパレータ５ｂ及びＭＥＡ３を構成する部材の厚さを事前に把握しておき、セパレータ５ａ、セパレータ５ｂ及びＭＥＡ３が積層された状態での厚みを管理する方法を挙げることができる。
【００２７】
次に、磁性部材４ａ、及び、磁性部材４ｂを、それぞれガス流路６ａ及びガス流路６ｂのガスマニホールドが備えられる側の開口部から取り除く。磁性部材４ａ、及び、磁性部材４ｂが取り除かれた状態を、図２（ｇ）に示す。このとき、ＭＥＡ３はセパレータ５ａ及びセパレータ５ｂによって挟持されているため、電解質膜１、アノード２ａ及びカソード２ｂの相対的な位置はずれなくなっている。
【００２８】
セパレータ５ａ、セパレータ５ｂ及びＭＥＡ３を積層した後に、セパレータ５ａ及びセパレータ５ｂに対して外部から圧力をかけることによって、セパレータ５ａ及びセパレータ５ｂとＭＥＡ３との間の接触抵抗を下げることができる。
【００２９】
これまでの本発明の説明では、実際にセパレータを用いてＭＥＡの両面側に磁性部材を配設する方法について説明したが、ＭＥＡの両面側に磁性部材を配設する方法はかかる方法に限定されない。例えば、セパレータを用いなくとも、セパレータを模した治具を用いて、上述した方法と同様にしてＭＥＡの両面側に磁性部材を配設した後、その治具を取り除くことによって、ＭＥＡの両面側に磁性部材を配設することができる。
【００３０】
また、これまでの本発明の説明では、ガス流路に磁性部材が配設されたセパレータ（又はセパレータを模した治具）の上にＭＥＡを載せ、さらにその上に、ガス流路に磁性部材が配設されたセパレータ（セパレータを模した治具）を配設する方法について説明したが、本発明はかかる方法に限定されない。
【００３１】
本発明の燃料電池の製造方法の他の形態例について、図３及び図４を参照しつつ、以下に説明する。図３及び図４は、本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部を概略的に示す図である。図３及び図４に示した各図は、それぞれ燃料電池を構成する各部材の厚さ方向の断面の一部を示す図であり、図が煩雑になるのを防ぐため一部符号を省略して示している。以下の説明では、これまでの説明と重複する部分の一部を省略して説明する。
【００３２】
まず、図３（ａ）に示すように、セパレータ５ａのガス流路６ａに磁性部材４ａを配設する。そして、図３（ｂ）に示すように、そのセパレータ５ａの上に、シート状に形成されたアノード２ａを載せる。さらに、図３（ｃ）に示すように、アノード２ａの上に電解質膜１を重ね、さらに、図３（ｄ）に示すように、電解質膜１の上に、シート状に形成されたカソード２ｂを重ねる。
【００３３】
次に、図４（ｅ）に示すように、ＭＥＡ３の上に磁性部材４ｂを配設する。このとき、磁性部材４ｂの配設位置は、磁性部材４ｂが磁性部材４ａに引き付けられることによって決まる。すなわち、磁性部材４ｂは、ＭＥＡ３を介して磁性部材４ａと対称的な位置に配設される。
【００３４】
したがって、ＭＥＡ３を構成する電解質膜１、アノード２ａ、及び、カソード２ｂは、磁性部材４ａ及び磁性部材４ｂに挟まれることになり、磁性部材４ａ及び磁性部材４ｂが互いに引き付けられる力を利用して、電解質膜１、アノード２ａ、及び、カソード２ｂの相対的な位置を固定（仮止め）することができる。
【００３５】
次に、図４（ｆ）に示すように、ＭＥＡ３の上にセパレータ５ｂを重ねる。このとき、ガス流路６ｂがＭＥＡ３を介してガス流路６ａと対称的な位置にくるようにセパレータ５ｂを重ねる。上述したように、磁性部材４ａと磁性部材４ｂはＭＥＡ３を介して対称的な位置関係にあり、磁性部材４ａはガス流路６ａに沿って配設されているため、ガス流路６ａとガス流路６ｂがＭＥＡ３を介して対称的な位置関係になるようにすることによって、磁性部材４ｂがガス流路６ｂに沿って配設されることになる。
【００３６】
次に、磁性部材４ａ、及び、磁性部材４ｂを、それぞれガス流路６ａ及びガス流路６ｂのガスマニホールドが備えられる側の開口部から取り除く。磁性部材４ａ、及び、磁性部材４ｂが取り除かれた状態を、図４（ｇ）に示す。このとき、ＭＥＡ３はセパレータ５ａ、５ｂによって挟持されているため、電解質膜１、アノード２ａ、及び、カソード２ｂの相対的な位置はずれなくなっている。
【００３７】
このような本発明の燃料電池の製造方法によれば、一対の電極及び電解質膜を磁性部材で仮止めした後にセパレータで挟持することによって、一対の電極及び電解質膜を熱圧着などで一体化させるための工程を省くことができる。すなわち、簡略化された燃料電池の製造方法を提供することができる。
【００３８】
さらに、本発明の燃料電池の製造方法によれば、ＭＥＡに高熱及び高圧を加えることなく燃料電池を製造することが可能である。高熱を加えないことによって、熱による電解質膜や触媒層などの伸縮や化学的分解を防ぐことができる。また、高圧を加えないことによって、圧力による材料の塑性変形を防ぐことができる。より具体的には、例えば、ガス拡散層中のカーボン繊維が電解質膜に突き刺さることや、触媒層やガス拡散層の塑性変形を防ぐことができる。
【００３９】
本発明に用いることができる電解質膜１は、燃料電池の電解質膜として用いられるものであれば特に限定されない。具体的には、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば良い。プロトン伝導性ポリマーとしては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等）のほか、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。
【００４０】
また、本発明に用いることができるアノード２ａ及びカソード２ｂは、燃料電池の電極として用いられるものであれば特に限定されない。具体的には、電気化学反応の触媒として機能する物質と、プロトン伝導性物質を含む触媒層が備えられていれば良く、該触媒層の他に、反応ガスを触媒層へと均一に供給させやすくする等の目的で、カーボンペーパー、カーボンクロス等からなるガス拡散層や撥水層が備えられても良い。電気化学反応の触媒として機能する物質としては、白金や白金合金等を例示することができ、プロトン伝導性物質としては、上述したプロトン伝導性ポリマー等を例示することができる。
【００４１】
さらに、本発明に用いることができる磁性部材４ａ及び磁性部材４ｂは、電解質膜１、アノード２ａ、及び、カソード２ｂの相対的な位置を固定できる程度の磁性を有する部材であって、ガス流路６に沿って配設できる程度の大きさのものであれば特に限定されない。本発明に用いることができる磁性部材の好ましい形態の一例を図５に示す。
【００４２】
図５に示した磁性部材１０は、複数の磁石８、８、…が糸９によって繋げられている。かかる形態とすることによって、ガス流路に沿って配設することが容易になる。
【００４３】
また、磁性部材をガス流路に沿って配設することを容易にするという観点からは、磁性部材が柔軟な線状であっても良い。柔軟な線状の磁性部材の具体例としては、ゴム磁石などを挙げることができる。
【００４４】
これまでの本発明の説明に用いた図１〜図４では、下からアノード２ａ、電解質膜１、及び、カソード２ｂの順で積層された形態について例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではなく、下からカソード２ｂ、電解質膜１、及び、アノード２ａの順で積層されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部について概略的に示す図である。
【図２】本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部について概略的に示す図である。
【図３】本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部について概略的に示す図である。
【図４】本発明にかかる燃料電池の製造方法の工程の一部について概略的に示す図である。
【図５】本発明に用いることができる磁性部材の一例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  電解質膜
２ａ  アノード（電極）
２ｂ  カソード（電極）
３  膜電極構造体（ＭＥＡ）
４ａ、４ｂ  磁性部材
５ａ、５ｂ  セパレータ
６ａ、６ｂ  ガス流路
７  磁性体フィルム
８  磁石
９  糸
１０  磁性部材
【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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