JP2009205919A - 燃料電池の製造装置、燃料電池の製造方法、および金属セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】反りを有する金属セパレータの積層位置の位置決め精度を向上させ、また加圧工程によって金属セパレータがずれることを防止し、燃料電池の性能を安定化させるようにした燃料電池の製造装置、燃料電池の製造方法、および金属セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池の製造装置５００は、膜電極接合体３０およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータ２００を積層する載置面５５４と、膜電極接合体および金属セパレータを積層する積層方向に沿って載置面から伸びるとともに少なくとも金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部２３１が係合自在な規制部材５５１と、を備え、少なくとも金属セパレータの係合部が規制部材に係合した状態で積層する積層治具５５０、および、積層した膜電極接合体および金属セパレータを、係合部を規制部材に沿ってガイドしながら、積層方向に加圧するプレス型５３０を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の製造装置、燃料電池の製造方法、および金属セパレータに関するものである。

膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、膜電極接合体と金属セパレータとを積層して燃料電池スタックを構成している。金属セパレータには、予めプレス成形によって燃料ガスおよび冷却水を流通させるための流路溝が形成されている。

膜電極接合体および金属セパレータが積層される積層治具に設けられた位置決め用の部材によって積層位置の位置決めを行う方法が知られている。

位置決め用の部材には、積層治具から積層方向に伸びて設けられた端板が用いられている。端板をガイド部材として、金属セパレータの端面を揃えて積層を行っている（特許文献１参照）。
特開２００３−８６２３２号公報

しかしながら、プレス成形によって生じた反りを有する金属セパレータを積層する場合にあっては、各金属セパレータが有する反りによって金属セパレータの端面を基準に位置決めを精度良く行うことが困難である。

さらに、燃料電池スタックを形成するための加圧工程時には、各金属セパレータが有する反りが矯正されるが、この矯正動作によって位置がずれる虞もある。

膜電極接合体および金属セパレータの積層位置がずれることにより、シールの加圧力がばらついたり、或いは金属セパレータの接触抵抗にばらつきが生じる虞があるので、燃料電池の性能を安定化する上で、高精度に位置決めして積層する必要がある。

そこで、本発明の目的は、反りを有する金属セパレータの積層位置の位置決め精度を向上させ、また加圧工程によって金属セパレータがずれることを防止し、燃料電池の性能を安定化させるようにした燃料電池の製造装置、燃料電池の製造方法、および金属セパレータを提供することにある。

本発明は、膜電極接合体およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータを積層する載置面と、前記膜電極接合体および前記金属セパレータを積層する積層方向に沿って前記載置面から伸びるとともに少なくとも前記金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部が係合自在な規制部材と、を備え、少なくとも前記金属セパレータの前記係合部が前記規制部材に係合した状態で積層する積層治具、および、
積層した前記膜電極接合体および前記金属セパレータを、前記係合部を前記規制部材に沿ってガイドしながら、前記積層方向に加圧するプレス型を有する燃料電池の製造装置である。

また、本発明は、膜電極接合体およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータを、少なくとも前記金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部が積層治具に設けた規制部材に係合した状態で積層する工程と、
積層した前記膜電極接合体および前記金属セパレータを、前記係合部を前記規制部材に沿ってガイドしながら、プレス型によって前記積層方向に加圧する工程と、を有する燃料電池の製造方法である。

また、本発明は、燃料電池に用いられプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータであって、少なくとも一の端辺に設けられ、積層するときの位置決めおよび積層方向に加圧するときのガイドとして用いる係合部を有してなる金属セパレータである。

本発明によれば、プレス成形により生じた反りを有する金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部を、積層治具に設けられた規制部材に係合した状態で金属セパレータを積層し、その規制部材に沿って金属セパレータをガイドしながら加圧工程を行うため、反りを有する金属セパレータの積層位置の位置決め精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、燃料電池７００の全体構成を示す概略斜視図であり、図２は、単セル７１０を示す概略図である。図３は、本実施形態に係る燃料電池の製造装置５００の概略図、図４（Ａ）および（Ｂ）は、積層治具５５０（下型）の概略斜視図および平面図、図５（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態に係るプレス成形により生じた反りを有する金属パレータ２００の概略斜視図および平面図、図６は、係合部２３１を設ける位置を説明するための金属セパレータ２００の側面図、図７（Ａ）および（Ｂ）は、積層治具５５０（下型）に金属セパレータ２００（電池要素）を積層する工程を説明するための概略斜視図および平面図、図８は、積層治具５５０（下型）に金属セパレータ２００（電池要素）が積層された状態を示す平面図、図９〜図１１は、燃料電池の製造装置５００による加圧工程を模式的に説明するための図、図１２は、金属セパレータ２００（電池要素）に生じる位置ずれの範囲を説明するための図である。図１３（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の対比例を示しており、対比例の燃料電池の製造装置９００による加圧工程を模式的に説明するための図、図１４は、対比例の製造装置９００の加圧工程によって生じる金属セパレータ２００（電池要素）の位置ずれを説明するための図である。なお、理解の容易のため、金属セパレータ２００の反りは誇張して図示してある。

本実施形態にあっては、本発明の燃料電池の製造装置５００を、燃料電池７００を構成する燃料電池スタック７５０の製造に適用している（図１を参照）。

図３〜図５を参照して、燃料電池の製造装置５００を概説すれば、膜電極接合体３０およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータ２００（以下、単に「金属セパレータ２００」とも記す。）を積層する載置面５５４と、膜電極接合体３０および金属セパレータ２００を積層する積層方向（以下、単に「積層方向」と記す。）に沿って載置面５５４から伸びるとともに少なくとも金属セパレータ２００の少なくとも一の端辺に設けた切り欠き形状を有する係合部２３１が係合自在な柱形状の規制部材５５１と、を備え、少なくとも金属セパレータの係合部２３１が規制部材５５１に係合した状態で積層する下型５５０（積層治具に相当）、および、積層した膜電極接合体３０および金属セパレータ２００を、係合部２３１を規制部材５５１に沿ってガイドしながら、積層方向に加圧する上型５３０（プレス型に相当）を有する。

金属セパレータ２００は、長方形の形状を有しており、長辺側の端辺の中心位置２３５に係合部２３１を設けている。さらに、短辺側の端辺の中心位置２３６にも他の係合部２３２を設けている。係合部２３１を規制部材５５１に係合させて、他の係合部２３２を他の規制部材５５２と係合させている。

金属セパレータ２００は、流路溝を形成するためのプレス成形によって生じた反りを有している（図５を参照）。係合部２３１、２３２は、少なくとも金属セパレータ２００に設けられていればよいが、膜電極接合体３０に設けることもできる。以下、金属セパレータ２００および膜電極接合体３０の両方に係合部２３１、２３２が設けられているものとして説明する。

明細書中において、金属セパレータ２００および膜電極接合体３０の両方を総称して「電池要素２７０」とする。また、電池要素２７０を積層した状態を「積層体１００」とし、積層体１００を加圧した後の状態を「燃料電池スタック７５０（以下、単に「スタック７５０」と記す。）」として説明を行う。電池要素２７０を積層する積層工程では、金属セパレータ２００に設けられた各係合部２３１、２３２をそれぞれ、規制部材５５１、５５２に係合させた状態で、金属セパレータ２００を載置面５５４上に積層する。金属セパレータ２００と膜電極接合体３０を積層し、単位電池となる単セル７１０、およびスタック７５０を形成する。積層体１００を加圧する加圧工程では、各係合部２３１、２３２を規制部材５５１、５５２に係合させた状態で上型５３０により加圧してスタック７５０を形成する。

図示されるＸ、Ｙ、およびＺ軸はそれぞれ、電池要素２７０の短辺方向、長辺方向、および積層方向を示す。以下、詳述する。

図１および図２を参照して、燃料電池７００、スタック７５０、および単セル７１０について説明する。

図１を参照して、燃料電池７００は、複数の単セル７１０（図２を参照）から構成されるスタック７５０を有している。スタック７５０の積層方向の両端には一対のエンドプレート７２０が備えられている。スタック７５０で発電された電力を取り出す端子部材である集電板７４０は、スタック７５０とエンドプレート７２０の間に配置される。エンドプレート７２０は、スタック７５０、集電板７４０およびエンドプレート７２０を貫通するタイロッド７３０などの締結部材により締結されている。スタック７５０は、締結による負荷荷重によって均一に面圧が加えられている。

図２を参照して、単セル７１０は、膜電極接合体３０を金属セパレータ２００によって挟持して構成される。膜電極接合体３０は、電解質膜４０、燃料極５０および空気極６０を有する。電解質膜４０は、燃料極５０および空気極６０によって挟持される。燃料極５０および空気極６０は、触媒層５１、６１とガス拡散層５２、６２とをそれぞれ有しており、触媒層５１、６１の片面を電解質膜４０に接して配置される。

金属セパレータ２００は、燃料極５０に当接する燃料極側金属セパレータ２１０と、空気極６０に当接する空気極側金属セパレータ２２０とを有している。金属セパレータ２１０、２２０は、膜電極接合体３０を挟持する。金属セパレータ２１０、２２０は、電解質膜４０の全面にわたって燃料ガスと空気が一様に接触して流れるようにする機能を有している。金属セパレータ２１０、２２０には、燃料ガスや空気を全体に行きわたらせるための流体流路を構成する流路溝（溝部）が予めプレス成形により形成されている。金属セパレータ２１０、２２０には、例えば、薄板のアルミニウムやステンレスが用いられる。一般に、流路溝は薄板の数倍程度の深さで設けられる。そのため、プレス成形によって金属セパレータ２００には反りが生じることがある（図５を参照）。金属セパレータ２１０と燃料極５０との間には燃料ガスが流れる流路Ｆ、金属セパレータ２２０と空気極６０との間には空気が流れる流路Ｏ、金属セパレータ２１０と金属セパレータ２２０との間には冷却水が流れる流路Ｗが形成される。

図２を参照して、単セル７１０では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極５０に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。生成されたプロトンは、燃料極５０の触媒層５１に含まれる電解質、さらに燃料極５０の触媒層５１が接触している電解質膜４０を通って、空気極６０の触媒層６１に達する。また、燃料極５０の触媒層５１で生成した電子は、燃料極５０の触媒層５１、燃料極５０のガス拡散層５２、燃料極側金属セパレータ２１０および外部回路を通って、空気極６０の触媒層６１に達する。そして、空気極６０の触媒層６１にともに達したプロトンおよび電子は空気極６０に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生成する。このような電気化学的反応を通して、燃料電池は、電気を外部に取り出すことが可能になっている。

次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る燃料電池の製造装置５００は、電池要素２７０が積層される下型５５０と、電池要素２７０を積層方向に加圧する上型５３０とを有する。

下型５５０は、電池要素２７０が載置される載置面５５４と、電池要素２７０に設けられた各係合部２３１、２３２が係合自在な規制部材５５１、５５２と、積層方向に沿って載置面５５４から伸び上型５３０が有する第２の可動型５２０を傾斜自在かつ移動自在に支持するガイド部材５５３とを有する。規制部材５５１、５５２は、例えば、係合部２３１、２３２にそれぞれ係合可能な位置に設ける（図５をも参照）。規制部材５５１は、例えば、載置面５５４に平行な面における断面がＸ軸方向に２ｃｍ、Ｙ軸方向に１ｃｍ程度の長方形の形状を有する。

上型５３０は、載置面５５４に対して直交する方向（図３中矢印ｐ方向）に移動自在に設けられた第１の可動型５１０と、積層体１００を押圧する押圧面５２３が載置面５５４に対して傾斜自在に設けられた第２の可動型５２０と、第１の可動型５１０と第２の可動型５２０との間に設けられ、金属セパレータ２００の反りによって押圧面５２３が載置面５５４に対して傾いた状態にある第２の可動型５２０を、第１の可動型５１０の載置面５５４に向かう移動によって押圧面５２３が載置面５５４と平行をなす方向に調整移動する調節手段５３５とを有する。加圧工程では、第１の可動型５１０を積層体１００へ接近移動することにより、第１の可動型５１０と第２の可動型５２０との当接面５１１、５２１を介して、第２の可動型５２０を押圧して積層体１００を加圧する。調節手段５３５は、例えば、第１の可動型５１０の当接面５１１に設けられた断面傾斜平面をなすテーパ部５１２と、第２の可動型５２０の当接面５２１に設けられたテーパ部５１２に合致する形状の面取り部５２２から構成される。

次に、図５を参照して、本実施形態に係る反りを有する金属セパレータ２００は、予めプレス成形により形成された流路溝（図中省略）と、規制部材５５１、５５２に係合自在な係合部２３１、２３２とを有している。金属セパレータ２００は、長辺および短辺を有する長方形の形状を有している。流路溝を形成するために金属セパレータ２００をプレス成形すると、金属セパレータ２００の弾性により全体に反りが生じることがある。この反りは、金属セパレータ２００の各端辺の中央部から長さ方向に沿って生じ易くなっている。金属セパレータ２００に反りが生じることにより、下型５５０に金属セパレータ２００を積層した際、隙間が生じて正確に位置決めを行うことが困難になる。また、上型５３０によって加圧されると、反りによって金属セパレータ２００の移動が生じることがある。

各係合部２３１、２３２は、切り欠き形状に形成されており、規制部材５５１、５５２に突き合わせて係合することができる。切り欠きの大きさは特に限定されないが、規制部材５５１、５５２との間にギャップｇが形成される程度の大きさで設けるのが望ましい（図８を参照）。適度なギャップｇを形成することにより、規制部材５５１、５５２に係合させつつ円滑に金属セパレータ２００の積層を行うことができる。各係合部２３１、２３２は、金属セパレータ２００の外周縁辺を形成する端辺のうち、長辺側の端辺の中心位置２３５および短辺側の端辺の中心位置２３６に設けている。

図６を参照して、係合部２３１は、例えば、金属セパレータ２００の外周縁を形成する端辺のうち、金属セパレータ２００を平坦面１５０（例えば、載置面５５４）の上に載置したときに反りによって平坦面１５０から離間する寸法ｄ１が、他の端辺のいずれかと比べて小さい端辺の中心位置（以下、「離間する寸法ｄ１が小さい端辺の中心位置」と記す。）に設ける。上記の位置では、金属セパレータ２００の反り量ｄ２（平坦面１５０から離間する寸法ｄ１によって表される）が他の部位と比較して小さくなっているため、積層位置の位置決めを容易に行うことができ、積層位置にずれが生じることを防止できる。

また、例えば、係合部２３１は、金属セパレータ２００を平坦面１５０上に載置したときに金属セパレータ２００と平坦面１５０とが接触する端辺の中心位置（以下、「接触する端辺の中心位置」と記す。）に設ける。各金属セパレータ２００の反り量ｄ２には、ばらつきが生じることがある。反り量ｄ２のばらつきによって、各金属セパレータ２００の積層位置にずれが生じ得る。金属セパレータ２００が平坦面１５０と接触する端辺の中心位置は、反り量ｄ２のばらつきが他の部位と比較して小さい部位となっている。そのため、図示されるように、反り量ｄ２が異なる金属セパレータ２４０を積層する場合であっても、積層時における積層位置の位置決め精度を向上し、積層位置にずれが生じることを防止できる。また、後述するように、係合部２３１を規制部材５５１に係合させることにより、積層体１００を加圧してスタック７５０を形成する際、少なくとも係合部２３１を設けた端辺に沿う方向に金属セパレータ２００が移動することを防止できる。

金属セパレータ２００にあっては、上記の説明の離間する寸法ｄ１が小さい端辺の中心位置および接触する端辺の中心位置に該当する長辺側の端辺の中心位置２３５に係合部２３１を設け、規制部材５５１と係合している。さらに、短辺側の端辺の中心位置２３６にも他の係合部２３２を設け、他の規制部材５５２と係合させている。そのため、積層位置の位置決め精度や加圧工程によって生じる金属セパレータ２００の移動を防止する機能をより向上することが可能になっている（図５を参照）。同様にして、膜電極接合体３０にも係合部２３１、２３２を設けることができる。

次に作用について説明する。

図７（Ａ）および（Ｂ）を参照して、積層工程では、電池要素２７０（膜電極接合体３０、金属セパレータ２００）の長辺側の端辺および短辺側の端辺に設けた係合部２３１、２３２を、規制部材５５１、５５２に突き当てて係合する。各係合部２３１、２３２を規制部材５５１、５５２に係合させた状態で積層方向（図中矢印ａ方向）に沿って載置面５５４上に積層する。電池要素２７０を規制部材５５１、５５２に沿って積層することができるため、積層位置の位置決めを容易に行うことができ、位置決め精度を向上することができる。同様の手順を繰り返して電池要素２７０を積層して各電池要素２７０の端辺が揃えられた積層体１００を形成する。膜電極接合体３０は、柔軟に形成されているため、金属セパレータ２００が有する反りに沿った状態で積層される。

図８を参照して、載置面５５４上に積層された電池要素２７０は、各係合部２３１、２３２と規制部材５５１、５５２との間に所定のギャップｇを生じて積層される。電池要素２７０に位置ずれが生じる場合であっても、各係合部２３１、２３２と規制部材５５１、５５２とが係合されている端辺に沿う方向においては、ギャップｇの範囲内において、その位置ずれを制限することができる（図１２を参照）。

図９を参照して、加圧工程では、第１の可動型５１０および第２の可動型５２０によって、積層体１００を加圧して、スタック７５０を形成する。

第２の可動型５２０は、ガイド部材５５３に支持されながら、移動自在かつ傾斜自在に積層体１００上に配置される。
図１０を参照して、第１の可動型５１０を積層方向に接近移動させて、積層体１００上に配置された第２の可動型５２０を押圧して積層体１００を加圧する。第２の可動型５２０の押圧面５２３を介して積層体１００に面圧を付与する。第１の可動型５１０が積層方向に接近移動することにより、面取り部５２２にテーパ部５１２が押し付けられる。第２の可動型５２０は、その押圧面５２３が載置面５５４と平行をなす方向に調整移動する。第２の可動型５２０は調整移動しつつ、積層体１００を加圧するため、電池要素２７０の反りを矯正しながら面圧を付与することができる。各係合部２３１、２３２を規制部材５５１、５５２に係合してガイドさせた状態で積層体１００を加圧するため、係合部２３１、２３２を設けた端辺に沿う方向に電池要素２７０が移動することを防止できる。

図１１を参照して、第１の可動型５１０および第２の可動型５２０によって、各電池要素２７０の反りが矯正されるため、積層体１００に均一な面圧を付与してスタック７５０を形成することができる。スタック７５０を形成した後、図１に示されるように燃料電池７００を構成して電気を外部に取り出すことが可能となる。
図１２を参照して、燃料電池の製造装置５００にあっては、例えば、積層工程や加圧工程時に、積層体１００の移動や積層位置のずれが生じる場合であっても、係合されている各端辺に沿う方向においては、各係合部２３１、２３２と規制部材５５１、５５２との間に形成されたギャップｇの範囲内で位置ずれを制限することができる（図中点線で位置ずれ後の電池要素２５０の例を示す）。

図１３（Ａ）を参照して、対比例の燃料電池の製造装置９００によって加圧工程を行った場合、上型９１０に調節手段５３５が備えられていないため、加圧工程によって電池要素２７０の反りを矯正することが困難になっている。また、各電池要素２７０には係合部２３１、２３２が設けられておらず、規制部材５５１、５５２と係合させる構成となっていなため、加圧工程時には各電池要素２７０が有する反りによって、移動が生じ易くなっている。

図１３（Ｂ）を参照して、上型９１０によって、電池要素２７０が移動すると上型９１０を支持する支持部材９２１に干渉して電池要素２７０に変形が生じる虞がある。また、積層位置がずれることによって、積層体１００に均一に面圧が付与されず、電池要素２７０間において接触抵抗が生じる虞がある。

図１４を参照して、対比例の燃料電池の製造装置９００では、前述のように、電池要素２７０の位置ずれを各係合部２３１、２３２および規制部材５５１、５５２によって制限することができない。そのため、図中に示されるように、各電池要素２７０には相互に位置ずれが生じる（図中点線で位置ずれ後の電池要素２５０の例を示す）。位置ずれが生じた状態で加圧が行われるため、積層した電池要素２７０間において接触抵抗が生じる虞がある。

上述したように、本実施形態にあっては、プレス成形により生じた反りを有する金属セパレータ２００（電池要素２７０）に設けた各係合部２３１、２３２を、下型５５０に設けられた規制部材５５１、５５２に係合させた状態で積層する。そのため、金属セパレータ２００を規制部材５５１、５５２に沿って積層することができ、積層時における金属セパレータ２００の位置決め精度を向上するとともに、積層位置の位置ずれを防止することができる。さらに、各係合部２３１、２３２を規制部材５５１、５５２に係合してガイドさせた状態で積層体１００を加圧するため、加圧工程時には、少なくとも係合部２３１、２３２を設けた端辺に沿う方向に金属セパレータ２００が移動することを防止できる。そのため、積層位置の位置ずれによって生じる燃料電池の性能の劣化を防止することができる。さらに、膜電極接合体３０（電池要素２７０）にも係合部２３１、２３２を設け、規制部材２３１、２３２に係合させているため、膜電極接合体３０の積層位置の位置決め精度を向上することができ、積層位置の位置ずれを防止することもできる。

載置面５５４から積層方向に沿って形成された柱形状の各規制部材５５１、５５２に切り欠き形状を有する係合部２３１、２３２を突き当てて係合させているため、金属セパレータ２００を規制部材５５１、５５２に沿わせて積層することができる。そのため、積層時の位置決め精度を向上するとともに、積層位置の位置ずれを防止することができる。

ガイド部材５５３によって傾斜自在かつ移動自在に支持された第２の可動型５２０を、調節手段５３５によって、その押圧面５２３が載置面５５４と平行をなす方向に調整移動することができる。加圧工程時に第１の可動型５１０の接近移動に伴って、第２の可動型５２０を調整移動しつつ、積層体１００を加圧することができるため、電池要素２７０が有する反りを矯正して積層体１００に均一な面圧を付与してスタック７５０を形成することができる。

金属セパレータ２００を平坦面１５０（例えば、載置面５５４）の上に載置したときに反りによって平坦面１５０から離間する寸法ｄ１が、他の端辺のいずれかと比べて小さい端辺の中心位置に係合部２３１を設けている。そのため、金属セパレータ２００の反り量ｄ２が他の部位と比較して小さい部位で積層位置の位置決めを行うことができるため、位置決めを容易に行うことができ、積層位置にずれが生じることを防止できる。

金属セパレータ２００が平坦面１５０に接触する端辺の中心位置に係合部２３１を設けているため、各金属セパレータ２００が有する反り量ｄ２のばらつきが他の部位と比較して小さい部位で係合部２３１を規制部材５５１に係合して積層を行うことができる。そのため、積層時における積層位置の位置決め精度を向上することができ、各金属セパレータ２００に生じている反り量ｄ２のばらつきによって積層位置にずれが生じることを防止できる。

長方形の形状の金属セパレータ２００のうち、各金属セパレータ２００が有する反り量ｄ２が他の部位と比較して小さくかつ反り量ｄ２のばらつきが他の部位と比較して小さい長辺側の端辺の中心位置２３５に係合部２３１を設けている。係合部２３１を規制部材５５１に係合して積層を行うため、積層時における積層位置の位置決めを容易に行うことができ、位置決め精度を向上することができるとともに、積層位置にずれが生じることを防止できる。さらに、短辺側の端辺の中心位置２３６に他の係合部２３２を設けて、他の規制部材５５２と係合させているため、積層位置の位置決め精度や加圧工程によって生じる金属セパレータ２００の移動を防止する機能をより向上することができる。

燃料電池に用いられプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータ２００であって、少なくとも一の端辺に設けられ、積層するときの位置決めおよび積層方向に加圧するときのガイドとして用いる係合部２３１を有してなる金属セパレータ２００を用いてスタック７５０を形成することができる。

係合部２３１、２３２は、切り欠き形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、規制部材５５１、５５２に係合させることが可能な形状であればよい。また、規制部材５５１、５５２の形状や材質も特に限定されるものではなく、載置面５５４から積層方向に伸びて形成され、係合部２３１、２３２が係合自在な形状および材質であればよい。但し、積層作業の簡略化のために、係合部２３１、２３２を突き当てることによって係合することが可能な形状で係合部２３１、２３２および規制部材５５１、５５２をそれぞれ設けるのが望ましい。

係合部２３１、２３２は、長辺側の端辺および短辺側の端辺の２箇所に設けられており、それに対応させて２つの規制部材５５１、５５２が設けられているが、少なくとも係合部を１つ設け、その係合部を係合させる少なくとも１つの規制部材が設けられていればよい。さらに１つの端辺に複数の係合部を設けて、規制部材に係合させてもよい。

係合部２３１、２３２は、金属セパレータ２００および膜電極接合体３０の両方に設けられているが、少なくとも金属セパレータ２００に設けられていればよい。金属セパレータ２００に係合部２３１、２３２を設け、規制部材５５１、５５２と係合させることにより、反りによって生じる金属セパレータ２００の移動や積層位置の位置ずれを防止することが可能となる。

調節手段５３５は、テーパ部５１２および面取り部５２２から構成されているが、これに限定されるものではなく、第１の可動型５１０が積層体１００へ接近移動することにより、第２の可動型５２０を調整移動させることが可能な構成であればよい。

燃料電池の全体構成を示す概略斜視図である。 単セルを示す概略図である。 本実施形態に係る燃料電池の製造装置の概略図である。 図４（Ａ）および（Ｂ）は、積層治具（下型）の概略斜視図および平面図である。 図５（Ａ）および（Ｂ）は、本実施形態に係るプレス成形により生じた反りを有する金属パレータの概略斜視図および平面図である。 係合部を設ける位置を説明するための金属セパレータの側面図である。 図７（Ａ）および（Ｂ）は、積層治具（下型）に金属セパレータ（電池要素）を積層する工程を説明するための概略斜視図および平面図である。 積層治具（下型）に金属セパレータ（電池要素）が積層された状態を示す平面図である。 燃料電池の製造装置による加圧工程を模式的に説明するための図である。 燃料電池の製造装置による加圧工程を模式的に説明するための図である。 燃料電池の製造装置による加圧工程を模式的に説明するための図である。 金属セパレータ（電池要素）の位置ずれの範囲を説明するための図である。 図１３（Ａ）および（Ｂ）は、対比例を示しており、対比例の燃料電池の製造装置による加圧工程を模式的に説明するための図である。 対比例の燃料電池の製造装置の加圧工程によって生じる金属セパレータ（電池要素）の位置ずれを説明するための図である。

符号の説明

３０ 膜電極接合体、
４０ 電解質膜、
５０ 燃料極、
５１、６１ 触媒層、
５２、６２ ガス拡散層、
６０ 空気極、
１００ 積層体、
１５０ 平坦面、
２００ 金属セパレータ（反りを有する金属セパレータ）、
２１０ 燃料極側金属セパレータ（反りを有する金属セパレータ）、
２２０ 空気極側金属セパレータ（反りを有する金属セパレータ）、
２３１、２３２ 係合部、
２３５ 長辺側の端辺の中心位置、
２３６ 短辺側の端辺の中心位置、
２４０ 反り量が異なる金属セパレータ、
２５０ 位置ずれ後の電池要素、
２７０ 電池要素（金属セパレータ、膜電極接合体）、
５００ 燃料電池の製造装置、
５１０ 第１の可動型、
５１１、５２１ 当接面、
５１２ テーパ部（調節手段）、
５２０ 第２の可動型、
５２２ 面取り部（調節手段）、
５２３ 押圧面、
５３０ 上型（プレス型）、
５３５ 調節手段、
５５０ 下型（積層治具）、
５５１、５５２ 規制部材、
５５３ ガイド部材、
５５４ 載置面、
７００ 燃料電池、
７１０ 単セル、
７２０ エンドプレート、
７３０ タイロッド、
７４０ 集電板、
７５０ スタック、
９００ 対比例の燃料電池の製造装置、
９１０ 上型、
９１１ 押圧面、
９２０ 下型、
９２１ 支持部材、
９２２ 載置面、
ａ 積層方向、
ｄ１ 平坦面から離間する寸法、
ｄ２ 反り量、
ｇ ギャップ、
ｐ 載置面に対して直交する方向、
Ｆ 燃料ガスが流れる流路、
Ｏ 空気が流れる流路、
Ｗ 冷却水が流れる流路。

Claims (10)

1. 膜電極接合体およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータを積層する載置面と、前記膜電極接合体および前記金属セパレータを積層する積層方向に沿って前記載置面から伸びるとともに少なくとも前記金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部が係合自在な規制部材と、を備え、少なくとも前記金属セパレータの前記係合部が前記規制部材に係合した状態で積層する積層治具、および、
   積層した前記膜電極接合体および前記金属セパレータを、前記係合部を前記規制部材に沿ってガイドしながら、前記積層方向に加圧するプレス型を有する燃料電池の製造装置。
2. 前記規制部材は、柱形状を有し、
   前記係合部は、前記規制部材に係合する切り欠き形状を有する請求項１に記載の燃料電池の製造装置。
3. 前記プレス型は、
   前記載置面に対して直交する方向に移動自在に設けられた第１の可動型と、
   積層した前記膜電極接合体および前記金属セパレータを押圧する押圧面が前記載置面に対して傾斜自在な第２の可動型と、
   前記第１の可動型と前記第２の可動型との間に設けられ、前記金属セパレータの前記反りによって前記押圧面が前記載置面に対して傾いた状態にある前記第２の可動型を、前記第１の可動型の前記載置面に向かう移動によって前記押圧面が前記載置面と平行をなす方向に調整移動する調節手段と、を有する請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造装置。
4. 前記積層治具は、前記積層方向に沿って前記載置面から伸び前記第２の可動型を傾斜自在かつ移動自在に支持するガイド部材を有する請求項３に記載の燃料電池の製造装置。
5. 前記係合部は、前記金属セパレータの外周縁を形成する端辺のうち、前記金属セパレータを平坦面の上に載置したときに前記反りによって前記平坦面から離間する寸法が、他の端辺のいずれかと比べて小さい端辺の中心位置に設けている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。
6. 前記係合部は、前記平坦面と接触する端辺の中心位置に設けている請求項５に記載の燃料電池の製造装置。
7. 前記金属セパレータは、長方形の形状を有し、前記係合部は、長辺側の端辺の中心位置に設けている請求項５または請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
8. 前記金属セパレータは、短辺側の端辺の中心位置に設けた他の係合部をさらに有し、
   前記積層治具は、前記他の係合部が係合自在な他の規制部材をさらに有する請求項７に記載の燃料電池の製造装置。
9. 膜電極接合体およびプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータを、少なくとも前記金属セパレータの少なくとも一の端辺に設けた係合部が積層治具に設けた規制部材に係合した状態で積層する工程と、
   積層した前記膜電極接合体および前記金属セパレータを、前記係合部を前記規制部材に沿ってガイドしながら、プレス型によって前記積層方向に加圧する工程と、を有する燃料電池の製造方法。
10. 燃料電池に用いられプレス成形により生じた反りを有する金属セパレータであって、少なくとも一の端辺に設けられ、積層するときの位置決めおよび積層方向に加圧するときのガイドとして用いる係合部を有してなる金属セパレータ。

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