JP2010232127A - Manufacturing method of fuel cell stack - Google Patents

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Kenji Tsubosaka
健二 壷阪
Takashi Kajiwara
隆 梶原
Hitoshi Hamada
仁 濱田
Masayuki Ito
雅之 伊藤
Hiroshi Fujitani
宏 藤谷
Tomoyuki Takamura
智之 高村
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a fuel cell stack capable of restraining occurrence of sealing failure, while restraining increase of the number of components and weight. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the fuel cell stack (300) includes a cell-forming process of arranging each of pair separators (30, 40) on either each side of a membrane-electrode assembly (10) with a sealing member (20) arranged at an outer periphery, a laminating process of laminating a plurality of fuel cells (100) manufactured in the cell-forming process, a stacking process of fastening the plurality of laminated fuel cells with a fastening member (340), and a process of inserting a positioning member for carrying out positioning of the pair of separators themselves at least from the cell-forming process to finish of the stacking process. As the positioning member, a sealing member or one capable of being removed after the stacking process may be used. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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.

特開2000−12067号公報JP 2000-12067 A

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.

図1(a)は、実施例1に係る燃料電池スタックの製造方法において、セル化工程を示す模式的断面図である。図1(b)は、膜−電極接合体の模式的断面図である。図1(c)は、積層工程を示す模式的断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a cell forming process in the method of manufacturing a fuel cell stack according to the first embodiment. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly. FIG.1 (c) is typical sectional drawing which shows a lamination process. 図2は、スタック化工程を示す模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a stacking process. 図3(a)は、比較例に係る燃料電池の模式的断面図である。図3(b)は、実施例1に係る燃料電池の模式的断面図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to a comparative example. FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the fuel cell according to the first embodiment. 図4(a)〜図4(d)は、実施例1に係る凹部の変形例を示す模式的断面図である。FIG. 4A to FIG. 4D are schematic cross-sectional views illustrating modifications of the recess according to the first embodiment. 図5(a)は、実施例2に係る燃料電池スタックの製造方法において、スタック化工程の締結工程後の積層体を示す模式的断面図である。図5(b)は、除去工程を示す模式的断面図である。FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing the stacked body after the fastening process of the stacking process in the method for manufacturing the fuel cell stack according to the second embodiment. FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing the removal process.

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 fuel cell stack 300 according to the first embodiment of the present invention will be described. The fuel cell stack 300 is manufactured by a process including a cell forming process, a stacking process, and a stacking process. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a cell forming process. The cell forming process is a process for manufacturing the fuel cell 100. The fuel cell 100 includes a membrane-electrode assembly 10, a seal member 20 arranged on the outer periphery of the membrane-electrode assembly 10, and a pair of membrane-electrode assemblies 10 and a pair of seal members 20 arranged so as to sandwich the seal member 20. Separators (anode separator 30 and cathode separator 40).

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-electrode assembly 10. The membrane-electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 11, a catalyst layer (anode catalyst layer 12 and cathode catalyst layer 13), and a gas diffusion layer (anode gas diffusion layer 14 and cathode gas diffusion layer 15). As the electrolyte membrane 11, for example, a solid polymer electrolyte having proton conductivity can be used. As a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, for example, a perfluorosulfonic acid membrane can be used.

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 anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 are arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 11. The catalyst of the anode catalyst layer 12 promotes protonation of hydrogen. The catalyst of the cathode catalyst layer 13 promotes the reaction between protons and oxygen. For example, the anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 contain platinum-supported carbon or the like.

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 gas diffusion layer 14 is disposed on the surface of the anode catalyst layer 12 opposite to the electrolyte membrane 11. The cathode gas diffusion layer 15 is disposed on the surface of the cathode catalyst layer 13 opposite to the electrolyte membrane 11. The anode gas diffusion layer 14 has a function of diffusing an anode gas containing hydrogen and supplying the anode gas to the anode catalyst layer 12. The cathode gas diffusion layer 15 has a function of diffusing a cathode gas containing oxygen and supplying it to the cathode catalyst layer 13. As the anode gas diffusion layer 14 and the cathode gas diffusion layer 15, for example, carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth can be used.

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 member 20 is not particularly limited as long as it is a sealing material that can suppress gas leakage from the membrane-electrode assembly 10. In this embodiment, the seal member 20 is made of a seal material that cures from a liquid or semi-solid state. The seal member 20 is disposed so as to be sandwiched between the anode separator 30 and the cathode separator 40 on the outer periphery of the membrane-electrode assembly 10. Further, the seal member 20 is also disposed in a recess 50 of an anode separator 30 and a cathode separator 40 which will be described later.

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 anode separator 30 is disposed on the anode side of the membrane-electrode assembly 10. The cathode separator 40 is disposed on the cathode side of the membrane-electrode assembly 10. In this embodiment, an anode gas channel 31 is formed on the surface of the anode separator 30 on the membrane-electrode assembly 10 side. A cathode gas channel 41 is formed on the surface of the cathode separator 40 on the membrane-electrode assembly 10 side. The anode gas channel 31 and the cathode gas channel 41 are, for example, groove channels formed on the surface of the separator.

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 anode separator 30 and the cathode separator 40 have a recess 50 in which the seal member 20 is disposed. The recess 50 has an opening on the surface on the membrane-electrode assembly 10 side. In this embodiment, the seal member 20 is injected into the recess 50 from this opening. In addition, as a material of the anode separator 30 and the cathode separator 40, conductive materials, such as a metal, are used, for example.

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 recess 50 has a shape in which the area of the opening is smaller than the area of at least a part of the other part. In this embodiment, the recess 50 has an opening on the side of the membrane-electrode assembly 10 as a top surface, a side far from the membrane-electrode assembly 10 as a bottom surface having a larger diameter than the top surface, and a diameter expanding from the top surface to the bottom surface. It has a trapezoidal pyramid shape with side surfaces. In this case, the area of the opening (top surface) is smaller than the area of the bottom surface.

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 recess 50 has a wall surface 51. The wall surface 51 is a wall surface that receives a drag force from the seal member 20 when the anode separator 30 and the cathode separator 40 try to move so that the distance between the anode separator 30 and the cathode separator 40 increases. In the present embodiment, the wall surface 51 is a side surface of a trapezoidal pyramid.

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-electrode assembly 10 having the sealing member 20 disposed on the outer periphery, and a step of pressing the pair of separators with the jig 500. , Including. The pair of separators are bonded to the membrane-electrode assembly 10 and the seal member 20 by being pressed. Moreover, the sealing member 20 is inject | poured into the recessed part 50 by pressing. That is, the cell forming process includes an arrangement process of arranging the seal member 20 in the recess 50. The pressing process is performed until the seal member 20 is cured. When the seal member 20 is cured, the jig 500 is removed from the fuel cell 100.

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 stacked body 200 by stacking a plurality of fuel cells 100 manufactured in the cell forming process. Specifically, the plurality of fuel cells 100 are sequentially stacked such that the cathode separator 40 of another fuel cell 100 adjacent to the anode separator 30 of the fuel cell 100 is disposed. Thereby, the laminated body 200 is manufactured.

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 fuel cell stack 300. Specifically, in the stacking step, a current collector (current collector 310 and current collector 311), an insulator (insulator 320 and insulator 321), and an end plate (end plate 330) are arranged at the end of the stack in the stacking direction. And a stacking step of sequentially stacking the end plates 331) and a fastening step of fastening these members with a fastening member 340.

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 current collector 310 is disposed at the end of the laminated body 200 on the anode side. The current collector 311 is disposed at the cathode side end of the multilayer body 200. The current collector 310 and the current collector 311 are electrically connected to a load such as a motor or an auxiliary machine. The current collector 310 and the current collector 311 are members for collecting the electric power generated by the power generation of each fuel cell 100 and taking it out.

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 insulator 320 is disposed on the opposite side of the current collector 310 from the stacked body 200. The insulator 321 is disposed on the side opposite to the stacked body 200 of the current collector 311. The insulator 320 and the insulator 321 are insulating members for electrically insulating the current collector and the end plate.

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 end plate 330 is disposed on the side of the insulator 320 opposite to the current collector 310. The end plate 331 is disposed on the side of the insulator 321 opposite to the current collector 311. As the fastening member 340, for example, a bolt or the like can be used. By being fastened by the fastening member 340, the end plates 330 and 331 apply a pressing force in the stacking direction to the stacked body 200, the current collectors 310 and 311, and the insulators 320 and 321.

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 fuel cell stack 300 operates as follows during power generation. First, the anode gas is supplied to the anode gas channel 31 of each fuel cell 100 and the cathode gas is supplied to the cathode gas channel 41. The anode gas flowing through the anode gas channel 31 diffuses through the anode gas diffusion layer 14 and reaches the anode catalyst layer 12. In the anode catalyst layer 12, hydrogen in the anode gas is separated into protons and electrons. Protons are conducted through the electrolyte membrane 11 and reach the cathode catalyst layer 13. The electrons are collected by the current collector 310 and taken out of the fuel cell stack 300. The electrons taken out of the fuel cell stack 300 reach the current collector 311 after being used for load work.

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 gas flow channel 41 diffuses through the cathode gas diffusion layer 15 and reaches the cathode catalyst layer 13. In the cathode catalyst layer 13, water is generated by oxygen in the cathode gas, protons conducted through the electrolyte membrane 11, and electrons conducted from the current collector 311. The generated water mainly flows through the cathode gas channel 41 and is discharged to the outside of the fuel cell stack 300. The anode gas and cathode gas after the reaction flow through the anode gas channel 31 and the cathode gas channel 41, respectively, and are discharged to the outside of the fuel cell stack 300. As described above, the fuel cell stack 300 operates during power generation.

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 recess 50. In the fuel cell 400, for example, when the pressing force applied from the jig 500 in the stacking process is loosened, the membrane-electrode assembly 10 may expand and deform. When the membrane-electrode assembly 10 is expanded and deformed, the fuel cell 400 is deformed as shown in FIG. Specifically, since the deformation amount of the cured seal member 20 and the deformation amount of the membrane-electrode assembly 10 are different, the fuel cell 400 is deformed so that the thickness of the central portion is larger than the thickness of the outer peripheral portion. In this case, the position of the separator may be shifted. As a result, the separator and the seal member 20 may be peeled off, resulting in a seal failure.

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 fuel cell stack 300 according to the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the seal member 20 has a function as a positioning member for the pair of separators. . In this case, even when the external pressing force on the fuel cell 100 is relaxed after the cell forming step, the position shift of the separator can be suppressed. As a result, the occurrence of defective sealing can be suppressed. Further, since the positioning member is the seal member 20, the number of parts of the fuel cell stack 300 does not increase. In addition, since it is not necessary to newly provide a member such as a holding pin, the weight of the fuel cell stack 300 is suppressed. Furthermore, since the sealing member 20 continues to engage with the recess 50 even after the fuel cell stack 300 is manufactured, the position shift of the separator can be suppressed even after the fuel cell stack 300 is manufactured.

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 recess 50 is smaller than the area of at least a part of the other part, when the fuel cell 100 is to be deformed so as to increase the distance between the pair of separators, the opening is disposed in the recess 50. The seal member 20 is caught in the opening. Thereby, since peeling with a separator and the sealing member 20 is suppressed, generation | occurrence | production of a sealing defect can be suppressed.

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 part 50 has the wall surface 51, when the sealing member 20 arrange | positioned at the recessed part 50 gives a drag force to the wall surface 51, peeling with a separator and the sealing member 20 is suppressed. As a result, sealing failure can be suppressed.

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 member 20 in the recessed part 50, it is not restricted to this. The placement process of placing the seal member 20 in the recess 50 may be performed between the cell forming process and the end of the stacking process.

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 anode separator 30 and the cathode separator 40.

(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 part 50 is not restricted to the shape of Example 1. FIG. FIG. 4A to FIG. 4D are schematic cross-sectional views showing modifications of the recess 50. For example, as shown in FIG. 4A, the recess 50 may have an arcuate cross-sectional shape. Even in this case, the area of the opening is smaller than the area of at least a part of the other part (for example, the surface including the center point of the arc). Further, the recess 50 has a wall surface 51 (a wall surface on the membrane-electrode assembly 10 side from the center of the arc).

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 recess 50 may be a shape in which a small diameter portion and a large diameter portion are connected in order from the membrane-electrode assembly 10 side. Also in this case, the area of the opening is smaller than the area of at least a part of the other part (the inner diameter part of the large diameter part). Moreover, the recessed part 50 has the wall surface 51 (wall surface of the level | step-difference part of a large diameter part).

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 part 50 may be a parallelogram. In this case, the wall surface 51 is a wall surface whose angle formed with the surface of the separator on the membrane-electrode assembly 10 side is smaller than 90 degrees.

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 part 50 may be star shape. In this case, the area of the opening is smaller than the area of at least a part of the other part (for example, a surface parallel to the opening and including the vertex closest to the opening on the outer peripheral edge). The wall surface 51 is a wall surface having an angle of less than 90 degrees with the surface of the separator on the membrane-electrode assembly 10 side. Or the recessed part 50 may have various cross-sectional shapes, such as a wedge type | mold other than Fig.4 (a)-FIG.4 (d).

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 fuel cell stack 300a which concerns on Example 2 is demonstrated. The method of manufacturing the fuel cell stack 300a includes a fuel cell according to the first embodiment in that the fuel cell 100a is manufactured in the cell forming step and a removal step of removing the positioning member after the fastening step of the stacking step. This is different from the manufacturing method of the stack 300.

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 laminated body 200a after the fastening process of a stacking process. In the fuel cell 100a, instead of the seal member 20 being disposed in the recess 50, a rod-shaped member 60 is disposed. The rod-shaped member 60 functions as a positioning member for a pair of separators. The rod-shaped member 60 is inserted and disposed in the recess 50 in the cell forming process.

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 member 60 is removed by being pulled out from the recess 50. Thereby, the fuel cell stack 300a is manufactured. That is, the rod-shaped member 60 is a member that can be removed after the stacking process.

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 fuel cell stack 300a according to the present embodiment, the rod-shaped member 60 can suppress the displacement of the separator. Thereby, generation | occurrence | production of the sealing defect can be suppressed. Further, since the rod-shaped member 60 is removed in the removing process, the number of parts of the fuel cell stack 300a does not increase. Further, the weight of the fuel cell stack 300a is suppressed. In addition, since the removal process is performed after the fastening process, the position shift of the separator is suppressed by the fastening member 340 after the rod-shaped member 60 is removed.

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 member 60 has the durability which can repeat insertion arrangement | positioning to the recessed part 50, and removal. In this case, the rod-shaped member 60 can be reused. Thereby, the manufacturing cost of the fuel cell stack 300a can be reduced.

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 SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 11 Electrolyte membrane 12 Anode catalyst layer 13 Cathode catalyst layer 14 Anode gas diffusion layer 15 Cathode gas diffusion layer 20 Seal member 30 Anode separator 40 Cathode separator 50 Recess 51 Wall surface 60 Rod member 100 Fuel cell 200 Laminate 300 Fuel cell stack 310, 311 Current collector 320, 321 Insulator 330, 331 End plate 340 Fastening member 400 Fuel cell 500 Jig

Claims (5)

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、
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.
前記一対のセパレータは、前記位置決め部材が配置される凹部を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタックの製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell stack according to claim 1, wherein the pair of separators have a recess in which the positioning member is disposed. 前記凹部は、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いことを特徴とする請求項2記載の燃料電池スタックの製造方法。   3. The method of manufacturing a fuel cell stack according to claim 2, wherein an area of the opening of the recess is smaller than an area of at least a part of another portion. 前記凹部は、前記一対のセパレータの距離が増大する場合に前記位置決め部材から抗力を受ける壁面を有することを特徴とする請求項2記載の燃料電池スタックの製造方法。   3. The method of manufacturing a fuel cell stack according to claim 2, wherein the recess has a wall surface that receives a drag force from the positioning member when the distance between the pair of separators increases. 前記スタック化工程後に前記位置決め部材を除去する除去工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池スタックの製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell stack according to claim 1, further comprising a removal step of removing the positioning member after the stacking step.
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