JP2010232127A - Manufacturing method of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell stack.
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池スタックは、例えば、膜−電極接合体の両面に一対のセパレータを配置してセル化し、複数のセルを積層して締結することによって製造される。特許文献1には、燃料電池の一対のセパレータ間を燃料電池の積層方向に貫通する保持ピンを備える燃料電池スタックが開示されている。 The fuel cell stack is manufactured, for example, by arranging a pair of separators on both surfaces of the membrane-electrode assembly to form a cell, and stacking and fastening a plurality of cells. Patent Document 1 discloses a fuel cell stack including a holding pin that penetrates between a pair of separators of a fuel cell in the stacking direction of the fuel cell.
ところで、セル化工程においてセルには、外部から積層方向の圧力(以下、押圧力と称する)が加えられる。しかしながら、積層工程において、この押圧力が緩むことがある。この場合、膜−電極接合体が膨張することにより、セパレータの位置がずれるおそれがある。その結果、シール不良が生じるおそれがある。特許文献1に係る燃料電池スタックでは、セパレータの位置ずれに伴うシール不良を抑制することはできるものの、燃料電池スタックが保持ピンを備えることから燃料電池スタックの部品点数が増加するとともに、燃料電池スタックが重量化する。 By the way, in the cell forming step, pressure in the stacking direction (hereinafter referred to as pressing force) is applied to the cell from the outside. However, this pressing force may be loosened in the lamination process. In this case, the position of the separator may be shifted due to expansion of the membrane-electrode assembly. As a result, a sealing failure may occur. Although the fuel cell stack according to Patent Document 1 can suppress a seal failure due to the position shift of the separator, the fuel cell stack includes a holding pin, so that the number of parts of the fuel cell stack increases and the fuel cell stack Becomes heavier.
本発明は、部品点数の増加および重量化を抑制しつつシール不良の発生を抑制することが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。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a fuel cell stack that can suppress the occurrence of a seal failure while suppressing an increase in the number of parts and weight.
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、外周にシール部材が配置された膜−電極接合体の両面に一対のセパレータを配置するセル化工程と、セル化工程で製造された燃料電池を複数積層する積層工程と、積層された複数の燃料電池を締結部材で締結するスタック化工程と、少なくともセル化工程からスタック化工程の終了までの間に、一対のセパレータ同士の位置決めを行う位置決め部材を挿入する工程と、を含み、位置決め部材は、シール部材もしくはスタック化工程後に除去可能な部材であることを特徴とするものである。 A method of manufacturing a fuel cell stack according to the present invention includes a cell forming step in which a pair of separators are disposed on both surfaces of a membrane-electrode assembly having a seal member disposed on the outer periphery, and a plurality of fuel cells manufactured in the cell forming step. A positioning member for positioning a pair of separators between a stacking step of stacking, a stacking step of fastening a plurality of stacked fuel cells with a fastening member, and at least from the cell forming step to the end of the stacking step The positioning member is a seal member or a member that can be removed after the stacking step.
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法によれば、セル化工程からスタック化工程の終了までの間に位置決め部材によって一対のセパレータ同士の位置決めが行われる。それにより、セル化工程後に燃料電池に対する外部からの押圧力が緩んだ場合であっても、セパレータの位置ずれが抑制される。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。また、位置決め部材はシール部材もしくはスタック化工程後に除去可能な部材であることから、燃料電池スタックの部品点数の増加および重量化は抑制される。 According to the manufacturing method of the fuel cell stack according to the present invention, the positioning of the pair of separators is performed by the positioning member from the cell forming process to the end of the stacking process. Thereby, even if the external pressing force on the fuel cell is relaxed after the cell forming step, the position shift of the separator is suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of the sealing defect can be suppressed. Further, since the positioning member is a seal member or a member that can be removed after the stacking process, an increase in the number of parts of the fuel cell stack and an increase in weight are suppressed.
上記方法において、一対のセパレータは、位置決め部材が配置される凹部を有していてもよい。上記方法において、凹部は、開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積に比較して小さくてもよい。上記方法において、凹部は、一対のセパレータの距離が増大する場合に位置決め部材から抗力を受ける壁面を有していてもよい。この方法によれば、一対のセパレータとシール部材との剥離が抑制される。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。 In the above method, the pair of separators may have a recess in which the positioning member is disposed. In the above method, the recess may have a smaller opening area than at least a part of the other area. In the above method, the concave portion may have a wall surface that receives a drag force from the positioning member when the distance between the pair of separators increases. According to this method, peeling between the pair of separators and the seal member is suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of the sealing defect can be suppressed.
上記方法は、スタック化工程後に位置決め部材を除去する除去工程をさらに含んでいてもよい。 The method may further include a removing step of removing the positioning member after the stacking step.
本発明によれば、部品点数の増加および重量化を抑制しつつシール不良の発生を抑制することができる燃料電池スタックの製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the fuel cell stack which can suppress generation | occurrence | production of a seal failure, suppressing the increase in a number of parts and weight increase can be provided.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
本発明の実施例1に係る燃料電池スタック300の製造方法について説明する。燃料電池スタック300は、セル化工程と、積層工程と、スタック化工程と、を含む工程によって製造される。図1(a)は、セル化工程を示す模式的断面図である。セル化工程は、燃料電池100を製造する工程である。燃料電池100は、膜−電極接合体10と、膜−電極接合体10の外周に配置されたシール部材20と、膜−電極接合体10およびシール部材20を挟持するように配置された一対のセパレータ(アノードセパレータ30およびカソードセパレータ40)と、を有する。
A method for manufacturing the
図1(b)は、膜−電極接合体10の模式的断面図である。膜−電極接合体10は、電解質膜11と、触媒層(アノード触媒層12およびカソード触媒層13)と、ガス拡散層(アノードガス拡散層14およびカソードガス拡散層15)と、を備える。電解質膜11としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the membrane-
アノード触媒層12およびカソード触媒層13は、電解質膜11を挟持するように配置されている。アノード触媒層12の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層13の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層12およびカソード触媒層13は、白金担持カーボン等を含んでいる。
The
アノードガス拡散層14は、アノード触媒層12の電解質膜11とは反対側の面に配置されている。カソードガス拡散層15は、カソード触媒層13の電解質膜11とは反対側の面に配置されている。アノードガス拡散層14は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層12に供給する機能を有する。カソードガス拡散層15は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層13に供給する機能を有する。アノードガス拡散層14およびカソードガス拡散層15としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
The anode
図1(a)を参照して、シール部材20は、膜−電極接合体10からのガス漏洩を抑制できるシール材であれば特に限定されない。本実施例においては、シール部材20は、液状または半固体状の状態から硬化するシール材料を用いる。シール部材20は、膜−電極接合体10の外周にアノードセパレータ30およびカソードセパレータ40によって挟持されるようにして配置されている。また、シール部材20は、後述するアノードセパレータ30およびカソードセパレータ40の凹部50にも配置されている。
With reference to FIG. 1A, the sealing
アノードセパレータ30は、膜−電極接合体10のアノード側に配置されている。カソードセパレータ40は、膜−電極接合体10のカソード側に配置されている。本実施例においては、アノードセパレータ30の膜−電極接合体10側の面には、アノードガス流路31が形成されている。カソードセパレータ40の膜−電極接合体10側の面には、カソードガス流路41が形成されている。アノードガス流路31およびカソードガス流路41は、例えば、セパレータの表面に形成された溝流路である。
The
アノードセパレータ30およびカソードセパレータ40は、シール部材20が配置される凹部50を有している。凹部50は、膜−電極接合体10側の面に開口部を有している。本実施例においては、シール部材20は、この開口部から凹部50に注入される。なお、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ40の材質としては、例えば金属等の導電性材料が用いられる。
The
凹部50は、開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積より小さい形状を有している。本実施例において、凹部50は、膜−電極接合体10側の開口部を頂面とし、膜−電極接合体10から遠い側を頂面より大径の底面とし、頂面から底面にかけて拡径する側面を有する台形角錐形状を有している。この場合、開口部(頂面)の面積は底面の面積より小さくなっている。
The
また、凹部50は、壁面51を有している。壁面51は、アノードセパレータ30とカソードセパレータ40との間の距離が増大するようにアノードセパレータ30およびカソードセパレータ40が移動しようとした場合にシール部材20から抗力を受ける壁面である。本実施例において、壁面51は、台形角錐の側面である。
The
本実施例において、セル化工程は、外周にシール部材20が配置された膜−電極接合体10の両面に一対のセパレータを配置する工程と、一対のセパレータを治具500でプレス加工する工程と、を含んでいる。一対のセパレータは、プレス加工されることによって膜−電極接合体10およびシール部材20に接合される。また、シール部材20は、プレス加工されることによって凹部50に注入される。すなわち、セル化工程は、シール部材20を凹部50に配置する配置工程を含んでいる。なおプレス加工は、シール部材20が硬化するまで行われる。シール部材20が硬化した場合、治具500は燃料電池100から除去される。
In this embodiment, the cell forming step includes a step of arranging a pair of separators on both surfaces of the membrane-
図1(c)は、積層工程を示す模式的断面図である。積層工程は、セル化工程で製造された燃料電池100を複数積層して積層体200を製造する工程である。具体的には、燃料電池100のアノードセパレータ30上に隣接する他の燃料電池100のカソードセパレータ40が配置されるように、複数の燃料電池100が順次積層される。それにより、積層体200が製造される。
FIG.1 (c) is typical sectional drawing which shows a lamination process. The stacking process is a process of manufacturing the
図2は、スタック化工程を示す模式的断面図である。スタック化工程は、燃料電池スタック300を製造する工程である。具体的には、スタック化工程は、積層体の積層方向の端部に、集電体(集電体310および集電体311)、インシュレータ(インシュレータ320およびインシュレータ321)およびエンドプレート(エンドプレート330およびエンドプレート331)を順次積層する積層化工程と、これらの部材を締結部材340で締結する締結工程と、を含んでいる。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a stacking process. The stacking process is a process for manufacturing the
集電体310は、積層体200のアノード側の端部に配置されている。集電体311は、積層体200のカソード側の端部に配置されている。集電体310および集電体311は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。集電体310および集電体311は、各燃料電池100の発電によって生じた電力を集電して、外部に取り出すための部材である。
The
インシュレータ320は、集電体310の積層体200とは反対側に配置されている。インシュレータ321は、集電体311の積層体200とは反対側に配置されている。インシュレータ320およびインシュレータ321は、集電体とエンドプレートとを電気的に絶縁させるための絶縁部材である。
The
エンドプレート330は、インシュレータ320の集電体310とは反対側に配置されている。エンドプレート331は、インシュレータ321の集電体311とは反対側に配置されている。締結部材340は、例えばボルト等を用いることができる。締結部材340によって締結されることによって、エンドプレート330,331は、積層体200、集電体310,311、およびインシュレータ320,321に対して積層方向の押圧力を与える。
The
燃料電池スタック300は、発電時に以下のように作動する。まず、各燃料電池100のアノードガス流路31にアノードガスが供給され、カソードガス流路41にカソードガスが供給される。アノードガス流路31を流動するアノードガスは、アノードガス拡散層14を拡散してアノード触媒層12に到達する。アノード触媒層12において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜11を伝導して、カソード触媒層13に到達する。電子は、集電体310によって集電されて燃料電池スタック300の外部に取り出される。燃料電池スタック300の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、集電体311に到達する。
The
カソードガス流路41を流動するカソードガスは、カソードガス拡散層15を拡散してカソード触媒層13に到達する。カソード触媒層13においては、カソードガス中の酸素と電解質膜11を伝導したプロトンと集電体311から伝導した電子とによって水が生成される。生成された水は、主としてカソードガス流路41を流動して燃料電池スタック300の外部に排出される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路31およびカソードガス流路41を流動して、燃料電池スタック300の外部に排出される。以上のように、燃料電池スタック300は発電時に作動する。
The cathode gas flowing through the cathode
続いて、本実施例の効果について説明する。図3(a)は、比較例に係る燃料電池400の模式的断面図である。燃料電池400のセパレータは、凹部50に相当する部分を有していない。燃料電池400において、例えばスタック化工程で治具500から印加されていた押圧力が緩んだ場合、膜−電極接合体10が膨張変形するおそれがある。膜−電極接合体10が膨張変形した場合、燃料電池400は図3(a)のように変形する。具体的には、硬化したシール部材20の変形量と膜−電極接合体10の変形量とが異なることから、燃料電池400は中心部の厚みが外周部の厚みより大きくなるように変形する。この場合、セパレータの位置がずれるおそれがある。その結果、セパレータとシール部材20とが剥離して、シール不良が生じるおそれがある。
Then, the effect of a present Example is demonstrated. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 400 according to a comparative example. The separator of the fuel cell 400 does not have a portion corresponding to the
これに対して、本実施例に係る燃料電池スタック300の製造方法によれば、図3(b)に示すように、シール部材20は、一対のセパレータの位置決め部材としての機能を有している。この場合、セル化工程後に燃料電池100に対する外部からの押圧力が緩んだ場合であっても、セパレータの位置ずれを抑制することができる。その結果、シール不良の発生を抑制することができる。また、位置決め部材はシール部材20であることから、燃料電池スタック300の部品点数の増加は生じない。また、保持ピン等のような部材を新たに設ける必要がないことから、燃料電池スタック300の重量化が抑制される。さらに、シール部材20は燃料電池スタック300の製造後においても凹部50に係合し続けることから、燃料電池スタック300の製造後においてもセパレータの位置ずれを抑制することができる。
On the other hand, according to the manufacturing method of the
また、凹部50の開口部の面積が他の部分の少なくとも一部の面積より小さいことから、一対のセパレータ間の距離が増大するように燃料電池100が変形しようとした場合、凹部50に配置されたシール部材20が開口部に引っかかる。それにより、セパレータとシール部材20との剥離が抑制されることから、シール不良の発生を抑制することができる。
Further, since the area of the opening of the
また、凹部50は壁面51を有していることから、凹部50に配置されたシール部材20が壁面51に抗力を与えることによって、セパレータとシール部材20との剥離が抑制される。その結果、シール不良を抑制することができる。
Moreover, since the recessed
なお、本実施例において、セル化工程がシール部材20を凹部50に配置する配置工程(すなわち、位置決め部材を挿入する工程)を含んでいるが、これに限られない。シール部材20を凹部50に配置する配置工程は、セル化工程からスタック化工程の終了までの間に行われればよい。
In addition, in a present Example, although the cell formation process includes the arrangement | positioning process (namely, process of inserting a positioning member) which arrange | positions the sealing
また、セパレータの枚数は2枚以上であってもよい。例えば、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ40をさらに挟持するようにセパレータが配置されていてもよい。
Further, the number of separators may be two or more. For example, the separator may be disposed so as to further sandwich the
(変形例1)
なお、凹部50の形状は、実施例1の形状に限られない。図4(a)〜図4(d)は、凹部50の変形例を示す模式的断面図である。例えば、図4(a)に示すように、凹部50は、円弧状の断面形状を有していてもよい。この場合においても、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部(例えば円弧の中心点を含む面)の面積より小さい。また、凹部50は、壁面51(円弧の中心より膜−電極接合体10側の壁面)を有している。
(Modification 1)
In addition, the shape of the recessed
また、図4(b)に示すように、凹部50の断面形状は、膜−電極接合体10側から順に小径部と大径部とが連接した形状であってもよい。この場合においても、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部(大径部の内径部分)の面積より小さい。また、凹部50は、壁面51(大径部の段差部分の壁面)を有している。
As shown in FIG. 4B, the cross-sectional shape of the
また、図4(c)に示すように、凹部50の断面形状は、平行四辺形であってもよい。この場合、セパレータの膜−電極接合体10側の面との成す角度が90度より小さい壁面が、壁面51である。
Moreover, as shown in FIG.4 (c), the cross-sectional shape of the recessed
また、図4(d)に示すように、凹部50の断面形状は、星型であってもよい。この場合、開口部の面積は他の部分の少なくとも一部(例えば、開口部に並行な面であって、開口部側に最も近い頂点を外周縁に含む面)の面積より小さい。また、セパレータの膜−電極接合体10側の面との成す角度が90度より小さい壁面が、壁面51である。あるいは、凹部50は、図4(a)〜図4(d)の他、クサビ型等、種々の断面形状を有していてもよい。
Moreover, as shown in FIG.4 (d), the cross-sectional shape of the recessed
続いて、実施例2に係る燃料電池スタック300aの製造方法について説明する。燃料電池スタック300aの製造方法は、セル化工程で燃料電池100aが製造される点と、スタック化工程の締結工程後に位置決め部材を除去する除去工程を備える点と、において実施例1に係る燃料電池スタック300の製造方法と異なる。
Then, the manufacturing method of the
図5(a)は、スタック化工程の締結工程後の積層体200aを示す模式的断面図である。燃料電池100aは、凹部50にシール部材20が配置される代わりに、棒状部材60が配置されている。棒状部材60は、一対のセパレータの位置決め部材として機能する。棒状部材60は、セル化工程において、凹部50に挿入配置される。
Fig.5 (a) is typical sectional drawing which shows the
図5(b)は、除去工程を示す模式的断面図である。除去工程において棒状部材60は、凹部50から引き抜かれることによって、除去される。それにより、燃料電池スタック300aが製造される。すなわち、棒状部材60は、スタック化工程後に除去可能な部材である。
FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing the removal process. In the removing step, the rod-shaped
本実施例に係る燃料電池スタック300aの製造方法においても、棒状部材60によってセパレータの位置ずれを抑制することができる。それにより、シール不良の発生を抑制することができる。また、棒状部材60は除去工程において除去されることから、燃料電池スタック300aの部品点数の増加は生じない。また、燃料電池スタック300aの重量化が抑制される。なお、除去工程は締結工程後に行われることから、棒状部材60が除去された後は、締結部材340によってセパレータの位置ずれが抑制される。
Also in the manufacturing method of the
なお、棒状部材60は、凹部50への挿入配置および除去を繰り返し行える耐久性を有していることが好ましい。この場合、棒状部材60を再利用することができる。それにより、燃料電池スタック300aの製造コストを低減することができる。
In addition, it is preferable that the rod-shaped
10 膜−電極接合体
11 電解質膜
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
14 アノードガス拡散層
15 カソードガス拡散層
20 シール部材
30 アノードセパレータ
40 カソードセパレータ
50 凹部
51 壁面
60 棒状部材
100 燃料電池
200 積層体
300 燃料電池スタック
310,311 集電体
320,321 インシュレータ
330,331 エンドプレート
340 締結部材
400 燃料電池
500 治具
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記セル化工程で製造された燃料電池を複数積層する積層工程と、
前記積層された複数の燃料電池を締結部材で締結するスタック化工程と、
少なくとも前記セル化工程から前記スタック化工程の終了までの間に、前記一対のセパレータ同士の位置決めを行う位置決め部材を挿入する工程と、を含み、
前記位置決め部材は、前記シール部材もしくは前記スタック化工程後に除去可能な部材であることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 A cell forming step in which a pair of separators are disposed on both surfaces of a membrane-electrode assembly in which a seal member is disposed on the outer periphery;
A stacking step of stacking a plurality of fuel cells manufactured in the cell forming step;
A stacking step of fastening the stacked fuel cells with fastening members;
Inserting a positioning member that positions the pair of separators between at least the cell forming step and the end of the stacking step, and
The method of manufacturing a fuel cell stack, wherein the positioning member is the seal member or a member that can be removed after the stacking step.
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