JP2005228500A - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子電解質膜の熱による損傷を防止し、使用可能なシール部材の材料選択の幅を広げ、流体漏れを防止することのできる燃料電池スタックの製造方法を提供する。
【解決手段】 固体高分子電解質膜２４の両面にアノード電極２５およびカソード電極２６を配置してなる膜電極接合体２１の両面に、燃料ガスシール溝２８と酸化剤ガスシール溝３１が形成された第１および第２のセパレータ２２、２３を設けてなる燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを、複数個積層して形成する燃料電池スタックの製造方法において、隣接して積層される前記各燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセパレータ２２、２３同士を接合一体化した後、そのセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと前記膜電極接合体２１とを接合する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関し、詳細には、接合時における固体高分子電解質膜の熱による損傷を防止するための技術に関する。

燃料電池スタックを製造する方法としては、例えば、次のような方法が開示されている（例えば、特許文献１、２など参照）。この方法は、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）の両面に、燃料用流路が形成されたセパレータ（集電体）と、空気用流路が形成されたセパレータとを積層し、これらを加熱し圧縮することによって各接触部分を融着して接合一体化させた燃料電池単セル（セル構造体）を、複数個積層することにより燃料電池スタックを形成する。

または、この燃料電池スタックに供給する流体の種類、数、形状に対応できるように、各燃料電池単セルの間に仕切り板を設け、燃料電池単セルと仕切り板とを交互に積層することにより燃料電池スタックを形成する。

ところで、膜電極接合体同士、または膜電極接合体と仕切り板との間は、ガスケット、接着剤などのシール部材（漏れ防止部材）により、冷却水や湿度制御用流体などの流体の漏れが発生しないように密封されている。
特開平１０−２８９７２２号公報（第３頁〜第５頁、第１図） 特開２００２−２４６０４４号公報（第５頁および第６頁、第３図〜第９図）

ところで、膜電極接合体は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜と、触媒層とガス拡散層の積層体からなる電極とから構成されている。このため、膜電極接合体の両面にセパレータを接着剤によってシールした場合、接合時の加熱によって固体高分子電解質膜が損傷する虞がある。

かかる固体高分子電解質膜の熱による損傷を防止するためには、シール部材を固定する際の加熱（加温）条件を制約する必要がある。また、熱による損傷を防止するために、使用可能なシール部材の種類を制限する必要もある。

そこで、本発明は、固体高分子電解質膜の熱による損傷を防止し、使用可能なシール部材の材料選択の幅を広げ、流体漏れを防止することのできる燃料電池スタックの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、隣接して積層される各燃料電池単セルのセパレータ同士を接合一体化した後、そのセパレータ接合体と膜電極接合体とを接合することを特徴とする。

本発明によれば、最初に隣接して積層される各燃料電池単セルのセパレータ同士を接合一体化した後に、そのセパレータ接合体と膜電極接合体とを接合する工程を経るので、固体高分子電解質膜が介在しないことからセパレータ同士を接合するシール部材の材料選択の幅が広がると共に、接合加熱温度を高めて接合することが可能となり、接合強度も大幅に向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法を説明する前に、簡単に燃料電池スタックの構造について説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とし、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータに形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口１５より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口１６より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１７より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口１８より排出される。冷却水は、冷却水導入口１９より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口２０より排出される。

燃料電池単セル２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・）は、図２に示すように、膜電極接合体２１と、この膜電極接合体２１の両面にそれぞれ配置される第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３とから構成される。なお、図２の中央に位置する燃料電池単セル２Ａを挟んで上下に設けられる燃料電池単セル２Ｂ、２Ｃは、第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３の何れかのみを示しており、図示は省略するが膜電極接合体２１と他方の第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３を有しているものとする。

膜電極接合体２１は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜２４と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極２５と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極２６とからなる。かかる膜電極接合体２１は、アノード電極２５とカソード電極２６によって、固体高分子電解質膜２４をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。固体高分子電解質膜２４の外周縁部は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出しており、第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２３と積層する際のシール部分として機能する。

第１のセパレータ２２には、膜電極接合体２１と接する面に水素ガスなどの燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路溝２７が形成されている。また、この第１のセパレータ２２には、燃料ガス流路溝２７から燃料ガスが漏れ出ないようにシールするための燃料ガスシール溝２８が形成されている。この燃料ガスシール溝２８は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出した固体高分子電解質膜２７と対向する位置に形成されている。

第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１と接する面に酸素などの酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路溝２９が形成されている。また、この第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１との接合面とは反対側の面には、冷却水を流通させるための冷却水流路溝３０が形成されている。さらに、この第２のセパレータ２３には、酸化剤ガス流路溝２９から酸化剤ガスが、または冷却水流路溝３０から冷却水が漏れ出ないようにシールするための酸化剤ガスシール溝３１と冷却水シール溝３２がそれぞれの面に形成されている。

次に、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法を説明する。先ず、図２に示すように、燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・のうち、隣接して積層される各燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを構成する第１および第２のセパレータ２２、２３同士を接合一体化するために、セパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布すると共にガスケットまたは接着剤などの第１シール部材（漏れ防止部材）３３を冷却水シール溝３２内に設ける。

具体的には、図２において中央の燃料電池単セル２Ａの第１のセパレータ２２と、その上に配置される燃料電池単セル２Ｂの第２のセパレータ２３とを接合するために、何れかのセパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布し、さらに第２のセパレータ２３に形成された冷却水シール溝３２内に第１シール部材３３を設ける。同様に、図２において中央の燃料電池単セル２Ａの第２のセパレータ２３と、その下に配置される燃料電池単セル２Ｃの第１のセパレータ２２とを接合するために、何れかのセパレータ２２、２３の接合面に接着剤を塗布し、第２のセパレータ２３に形成された冷却水シール溝３２内に第１シール部材３３を設ける。

そして、これら第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱（加温）してこれらを接合させると共に、前記第１シール部材３３を前記冷却水シール溝３２内に融着させる。このときの加熱温度Ｔは、第１および第２のセパレータ２２、２３が変形し始める変形温度の下限値Ｔｒに対し、Ｔ＜Ｔｒなるように設定する。また、ここでは、固体高分子電解質膜２４を介在させて接合しないため、加熱温度Ｔを、固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値Ｔｍより高くする。なお、前記Ｔｒは、固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値Ｔｍよりも高いものとする。したがって、本発明では、加熱条件をＴｍ＜Ｔ＜Ｔｒとして、第１および第２のセパレータ２２、２３を加熱する。

第１シール部材３３には、前記Ｔｍ＜Ｔ＜Ｔｒなる温度範囲で接合し得るガスケットまたは接着剤を使用する。このため、従来のように、最初に膜電極接合体２１と第１および第２のセパレータ２２、２３とを接合する場合に比べて耐久性および耐摩耗性の高いガスケットや接着剤などのシール部材を使用することができ、当該第１シール部材３３の材料選択の範囲を拡大することができる。

加熱が終了すると、図３に示すように、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３は、接合一体化されてセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂを形成する。かかるセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂは、固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値Ｔｍよりも高い温度Ｔで加熱し得る第１シール部材３３を使用して加熱されるため、第１シール部材３３が冷却水シール溝３２内において隙間無く密着する。したがって、これら第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５の接合面に形成された冷却水流路溝３０からの冷却水の漏れが阻止される。また、このセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂには、固体高分子電解質膜２４と第１および第２のセパレータ２２、２３を含んでいないことから、これらの寸法ばらつきの影響を受けることなく精度良く組み立てることができる。

次に、接合一体化してなるセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと膜電極接合体２１とを交互に積層して接合する。すなわち、図３に示すように、膜電極接合体２１と接合するセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂの接合面に接着剤を塗布すると共に、膜電極接合体２１を挟んで下に配置されるセパレータ接合体３４Ａの酸化剤ガスシール溝３１と、膜電極接合体２１を挟んで上に配置されるセパレータ接合体３４Ｂの燃料ガスシール溝２８に、それぞれガスケットまたは接着剤などの第２シール部材３５を設ける。

ここで使用する第２シール部材３５には、固体高分子電解質膜２４と各セパレータ２２、２３とを接合することから、接合時の熱によって固体高分子電解質膜２４が損傷しない程度の物性である接着剤を用いる。

そして、これらセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと膜電極接合体２１とを積層した状態で加熱すると、図４に示すように、接合一体化された燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されると共に、燃料ガスシール溝２８および酸化剤ガスシール溝３１にそれぞれ設けられた第２シール部材３５がそれぞれの接合面に対して融着する。したがって、この第２シール部材３５によって、膜電極接合体２１とセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂ間の接合面がシールされ、燃料ガス流路溝２７からの燃料ガスの流出および酸化剤ガス流路溝２９からの酸化剤ガスの流出がそれぞれ防止される。

このように、最初にセパレータ２２、２３同士を接合一体化した後、その接合一体化されたセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと膜電極接合体２１とを接合すれば、固体高分子電解質膜２４が含まれていないことから熱による該固体高分子電解質膜２４の損傷を防止することができる。また、固体高分子電解質膜２４を介在させないでセパレータ２２、２３同士を接合することからこれら接合時の加熱条件制約を小さくすることができ（加熱温度を従来よりも高くすることができ）、第１シール部材３３を固定するための加熱温度上限が高くなり、その第１シール部材３３の材料選択の幅を広げることができる。

また、セパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂには、固体高分子電解質膜２４、アノード電極２５およびカソード電極２６が含まれていないため、これらの寸法ばらつきの影響を無くすことができる。したがって、各セパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂを精度良く組み立てることができる。その結果、各セパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂと固体高分子電解質膜２４とを積層する際の寸法ばらつきも抑えることができ、積層時の偏荷重による破損を防止し、また燃料電池システム運転時における流体（燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却水）漏れを抑制することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、流体の種類や流路数の変動に対応できるように、積層される燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃの間に仕切り板３６、３７を設けた例である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態における燃料電池スタック１に対して、中央の燃料電池単セル２Ａとその上に積層される燃料電池単セル２Ｂとの間に仕切り板３６、３７を設けた点が相違するため、第１の実施の形態と同一記載部分に関してはその説明は省略または簡略する。

この第２の実施の形態では、図５に示すように、始めに中央の燃料電池単セル２Ａの第１のセパレータ２２と、その上に積層される燃料電池単セル２Ｂの第２のセパレータ２３と、これらの間に積層される二枚の仕切り板３６、３７とを接合一体化する。すなわち、これら第１のセパレータ２２、二枚の仕切り板３６、３７、第２のセパレータ２３の接合面に接着剤を塗布すると共に、第２のセパレータ２３の冷却水シール溝３２と、相対向する二枚の仕切り板３６、３７の各対向面に形成したシール溝３８と、第１のセパレータ２２と対向する仕切り板３７の接合面に形成したシール溝３８内に第１シール部材３３をそれぞれ配置させる。

また、中央の燃料電池単セル２Ａの第２のセパレータ２３とその下に配置される燃料電池単セル２Ｃの第１のセパレータ２２の接合面に接着剤を塗布すると共に、第１のセパレータ２２の冷却水シール溝３２内に第１シール部材３３を配置する。

そして、これら第１のセパレータ２２、仕切り板３６、３７、第２のセパレータ２３を加熱して接合すると共に、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱して接合する。加熱条件は、第１の実施の形態と同じとする。この加熱によって、図６に示すように、二枚の仕切り板３６、３７を第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５で挟み込んでなる接合構造体３４Ｂと、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５からなるセパレータ接合体３４Ａとが形成される。

次に、図６に示すように、これらセパレータ接合体３４Ａおよび接合構造体３４Ｂと固体高分子電解質膜２４の接合面に接着剤を塗布すると共に、固体高分子電解質膜２４と接合するセパレータ接合体３４Ａおよび接合構造体３４Ｂの第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３の燃料ガスシール溝２８と酸化剤ガスシール溝３１内に第２シール部材３５を設ける。そして、これらを加熱すると、図７に示すように、接合一体化された燃料電池単セル２Ａ、２Ｂ、２Ｃが形成されると共に、燃料ガスシール溝２８および酸化剤ガスシール溝３１にそれぞれ設けられた第２シール部材３５がそれぞれの接合面に対して融着する。

このように、最初にセパレータ２２、２３と仕切り板３６、３７とを接合一体化した後、その接合一体化された接合構造体３４Ｂと膜電極接合体２１とを接合すれば、固体高分子電解質膜２４が含まれていないことから熱による該固体高分子電解質膜２４の損傷を防止することができる。また、固体高分子電解質膜２４を介在させないでセパレータ２２、２３および仕切り板３６、３７を接合することからこれら接合時の加熱条件制約を小さくすることができ、第１シール部材３３を固定するための加熱温度上限が高くなり、その第１シール部材３３の材料選択の幅を広げることができる。

特に、この第２の実施の形態では、セパレータ接合体３４Ｂを構成する部品点数が増えても固体高分子電解質膜２４を介在させていないことから、当該接合構造体３４Ｂを精度良く組み立てることができる。これにより、セパレータ接合体３４Ａ、接合構造体３４Ｂおよび膜電極接合体２１を積層する際の寸法ばらつきを抑えることができ、積層時の偏荷重による破損、また燃料電池システム運転時における流体漏れを抑制することができる。

［その他の実施の形態］
前記した第１および第２の実施の形態では、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を第１シール部材３３によってシールさせたが、第１シール部材３３を使用しない別の方法でシールすることも可能である。

例えば、図８に示すように、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を共に熱可塑性樹脂で形成し、その第２のセパレータ２３に形成した冷却水シール溝３２内に熱可塑性樹脂３９を塗布（充填）する。熱可塑性樹脂３９の充填時には、上型４０と下型４１とにより第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を挟み込んで、冷却水シール溝３２から熱可塑性樹脂３９が漏れないようにする。

次に、これら第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱する。加熱条件は、第１の実施の形態と同じ条件とする。すなわち、ここでは固体高分子電解質膜２４を介在させないことから、Ｔｍ＜Ｔ１＜Ｔｒ（Ｔｍ：固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値、Ｔ１：熱可塑性樹脂３９の成形温度、Ｔｒ：セパレータ２２，２３の変形温度の下限値）なる条件で第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱する。また、ここで使用する熱可塑性樹脂３９には、前記温度条件で示すように固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値以上の温度で融着し得る物性のものを使用する。

このような条件とした熱可塑性樹脂３９を使用して第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を接合すれば、この熱可塑性樹脂３９によってこれらの間を漏れなくシールすることができる。また、加熱も冷却水シール溝３２付近と局部的であるため、精度の良いセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂを製造することができる。

この他、図９に示すように、上型４０と下型４１で挟み込んだ第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部を高周波加熱により接合する。具体的には、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部に接近してコイル４２を設け、該コイル４２に高周波電流を通電することにより発生する渦電流によって、熱可塑性樹脂からなる第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部を融着させる。

加熱条件は、Ｔｍ＜Ｔ２＝Ｔｒ（Ｔｍ：固体高分子電解質膜２４の耐久温度下限値、Ｔ２：加熱温度、Ｔｒ：セパレータ２２，２３の変形温度の下限値）なる条件で第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を加熱する。

このような条件で第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部の一部を溶かして接合すれば、これらの間の接合面からの液体漏れの発生を防止することができる。また、特にこの実施の形態では、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部の一部を局所的に加熱して融着させるため、精度の良いセパレータ接合体３４Ａ、３４Ｂを得ることができる。

図１０は、これら第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３を摩擦熱により接合する例である。例えば、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部に、超音波振動子４３の先端部を押し付け、この超音波振動子４３を回転させる。このときの摩擦熱によって、前記第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３の外周縁部を接合させる。このときの加熱条件は、図９の例と同じくＴｍ＜Ｔ２＝Ｔｒとする。

摩擦熱により熱可塑性樹脂からなるセパレータ２２、２３の一部を溶かして接合すれば、これらセパレータ２２、２３間が密着して接合され、これらの間から液体が漏れ出ることを防止できる。

なお、図９の高周波加熱による接合方法と図１０の摩擦熱による接合方法は、第１および第２のセパレータ２２、２３が熱可塑性樹脂でなくても金属材料（例えばステンレス）である場合にも適用できる。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、第２のセパレータの冷却水シール溝に第１シール部材を設ける工程を示す要部断面図である。 第１の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、第１のセパレータと第２のセパレータを接合した後に第２シール部材を設ける工程を示す要部断面図である。 第１の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、膜電極接合体にセパレータ接合体を接合する工程を示す要部断面図である。 第２の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、第１および第２のセパレータの間に第１シール部材を設けて仕切り板を配置する工程を示す要部断面図である。 第２の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、第１および第２のセパレータと仕切り板とを接合した後に第２シール部材を設ける工程を示す要部断面図である。 第２の実施の形態の製造方法を示す工程図であり、膜電極接合体にセパレータ接合体を接合する工程を示す要部断面図である。 第１および第２のセパレータを熱可塑性樹脂によってシールする工程を示す要部拡大断面図である。 第１および第２のセパレータを高周波加熱によりシールする工程を示す要部拡大断面図である。 第１および第２のセパレータを摩擦熱によりシールする工程を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）…燃料電池単セル
２１…膜電極接合体
２２…第１のセパレータ
２３…第２のセパレータ
２４…固体高分子電解質膜
２５…アノード電極（電極）
２６…カソード電極（電極）
３３…第１シール部材
３４Ａ、３４Ｂ…セパレータ接合体
３４Ｂ…接合構造体
３５…第２シール部材
３６、３７…仕切り板
３９…熱可塑性樹脂
４２…コイル
４３…超音波振動子

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜の両面に電極を配置してなる膜電極接合体の両面に、流路溝が形成されたセパレータを設けてなる燃料電池単セルを、複数個積層して形成する燃料電池スタックの製造方法において、
   隣接して積層される前記各燃料電池単セルのセパレータ同士を接合一体化した後、そのセパレータ接合体と前記膜電極接合体とを接合する
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
2. 固体高分子電解質膜の両面に電極を配置してなる膜電極接合体の両面に、セパレータを設けてなる燃料電池単セルを、仕切り板を介在させて複数個積層して形成する燃料電池スタックの製造方法において、
   隣接して積層される前記各燃料電池単セルのセパレータと前記仕切り板を接合一体化した後、その接合構造体と前記膜電極接合体とを接合する
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記セパレータ接合体または前記接合構造体は、接合面に形成した溝部に熱可塑性樹脂を塗布し硬化して接合一体化して形成される
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記セパレータ接合体または前記接合構造体は、高周波加熱により接合一体化して形成される
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
5. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記セパレータ接合体または前記接合構造体は、摩擦熱により接合一体化して形成される
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。