JP2016173909A

JP2016173909A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2016173909A
Application number: JP2015052670A
Authority: JP
Inventors: 智暁内山; Tomoaki Uchiyama; 川角　明人; Akito Kawakado; 明人川角
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: JP6287910B2

Abstract

【課題】膜電極接合体に亀裂が生ずるのを抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１の積層体３は複数の燃料電池単セル２を積層方向ＳＤに互いに積層することにより形成される。各燃料電池単セルにおいて、膜電極接合体の一側面に外周領域が残るにようにしつつ膜電極接合体の両側面上にガス拡散層がそれぞれ配置され、外周領域を覆うように接着剤層が形成され、ガス拡散層との間に隙間が残るように支持フレームが外周領域に固定され、支持フレーム及びガス拡散層の両側面上に一対のセパレータがそれぞれ配置される。積層体は、積層方向外側に位置する一対の外側区域ＯＲと内側区域ＩＲとに区分されている。外側区域に属する燃料電池単セルの隙間における接着剤層の厚さが内側区域に属する燃料電池単セルの隙間における接着剤層の厚さよりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池スタックに関する。

複数の燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより形成された積層体を含む燃料電池スタックであって、各燃料電池単セルが、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一側面に外周領域が残るにようにしつつ膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、外周領域を覆うように形成された接着剤層と、外周部分及び内周部分を有する樹脂製支持フレームであって、膜電極接合体の一側面上のガス拡散層との間に隙間が残るように内周部分が接着剤層を介して外周領域に固定された支持フレームと、周囲部分及び中央部分をそれぞれ有する一対の金属製セパレータであって、周囲部分において支持フレームの外周部分に固定されると共に中央部分においてガス拡散層に当接するように支持フレーム及びガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備えている、燃料電池スタックが公知である（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池単セルを複数積層することにより、例えば電動車両用の燃料電池スタックが形成される。

特開２０１４−１３７９３６号公報

ところで、例えば電動車両が低温環境下に置かれて燃料電池単セルの温度が低くなると、線膨張係数が小さいセパレータに比べて、線膨張係数が大きい支持フレームはより大きく収縮する。その結果、膜電極接合体と支持フレームとの間に引張応力が生じ、支持フレームとガス拡散層との間の隙間に位置する接着剤層に亀裂が生ずるおそれがある。この亀裂が膜電極接合体にまで到達し、次いで膜電極接合体に亀裂が生ずると、クロスリークが生ずるおそれがある。

本発明によれば、複数の燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより形成された積層体を備える燃料電池スタックであって、各燃料電池単セルが、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一側面に外周領域が残るにようにしつつ前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、前記外周領域を覆うように形成された接着剤層と、外周部分及び内周部分を有する支持フレームであって、前記膜電極接合体の前記一側面上の前記ガス拡散層との間に隙間が残るように前記内周部分が前記接着剤層を介して前記外周領域に固定された支持フレームと、周囲部分及び中央部分をそれぞれ有する一対のセパレータであって、前記周囲部分において前記支持フレームの前記外周部分に固定されると共に前記中央部分において前記ガス拡散層に当接するように前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備えており、前記積層体が、前記積層方向外側に位置する一対の外側区域と、前記一対の外側区域同士間の内側区域とに区分されており、前記外側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さが前記内側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さよりも大きい、燃料電池スタックが提供される。

膜電極接合体に亀裂が生ずるのを抑制し、クロスリークの発生を抑制することができる。

燃料電池スタックの概略側面図である。燃料電池単セルの概略分解斜視図である。燃料電池単セルの概略部分断面図である。破断歪みの実験結果を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。燃料電池単セルの積層の例を示す線図である。

図１を参照すると、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池単セル２を積層方向ＳＤに互いに積層することにより形成された積層体３と、積層体３の積層方向ＳＤの両外端にそれぞれ配置された一対のターミナルプレート４と、ターミナルプレート４の積層方向ＳＤの外側にそれぞれ配置された一対のインシュレータプレート５と、インシュレータプレート５の積層方向ＳＤの外側にそれぞれ配置された一対のエンドプレート６と、を備える。燃料電池単セル２に水素のような燃料ガス及び空気のような酸化剤ガスが供給されると、燃料電池単セル２で電力が発生され、この電力はターミナルプレート４から取り出される。取り出された電力は例えば電動車両を駆動するのに用いられる。

図２を参照すると、各燃料電池単セル２は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の外周において膜電極接合体１０を支持する支持フレーム２０と、膜電極接合体１０及び支持フレーム２０を挟むように膜電極接合体１０及び支持フレーム２０の両側に配置された一対のセパレータ３０ｃ，３０ａと、を備える。膜電極接合体１０、支持フレーム２０及びセパレータ３０ｃ，３０ａはそれぞれ長方形状輪郭を有している。

図２及び図３を参照すると、膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一側面上に形成されたカソード電極触媒層１２ｃと、電解質膜１１の他側面上に形成されたアノード電極触媒層１２ａと、を備える。本発明による実施例では、カソード電極触媒層１２ｃ及びアノード電極触媒層１２ａは電解質膜１１のほぼ全面に拡がるよう形成される。電解質膜１１は例えば、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜のような、フッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜から形成される。カソード電極触媒層１２ｃ及びアノード電極触媒層１２ａは例えば白金又は白金合金からなる触媒を担持したカーボンから形成される。

膜電極接合体１０の一側面１１ｃ上、すなわちカソード電極触媒層１２ｃ上には、膜電極接合体１０の一側面１１ｃに枠状の外周領域１１ｃｏが残るように、カソードガス拡散層１３ｃが形成される。すなわち、カソードガス拡散層１３ｃは外周領域１１ｃｏの分だけ膜電極接合体１０よりも小さい。一方、膜電極接合体１０の他側面１１ａ上、すなわちアノード電極触媒層１２ａ上には、アノード電極触媒層１２ａのほぼ全体を覆うようにアノードガス拡散層１３ａが設けられる。すなわち、アノードガス拡散層１３ａは膜電極接合体１０とほぼ同じ大きさを有する。カソードガス拡散層１３ｃ及びアノードガス拡散層１３ａはそれぞれ、カソード電極触媒層１２ｃ及びアノード電極触媒層１２ａに電気的に接続される。また、カソードガス拡散層１３ｃ及びアノードガス拡散層１３ａは導電性を有する多孔体、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス、及びガラス状カーボンのようなカーボン多孔体、又は、金属メッシュ及び発泡金属のような金属多孔から形成される。

膜電極接合体１０の一側面１１ｃの外周領域１１ｃｏ上には接着剤層１４が形成される。言い換えると、外周領域１１ｃｏは接着剤層１４により覆われる。接着剤層１４は熱硬化性及び紫外線硬化性の一方又は両方を有する接着剤から形成され、例えばスクリーン印刷又はディスペンサにより外周領域１１ｃｏ上に塗布される。

一方、支持フレーム２０は、外周部分２１ｏと、外周部分２１ｏに囲まれた内周部分２１ｉとを有する。支持フレーム２０は、内周部分２１ｉにおいて接着剤層１４を介し膜電極接合体１０の一側面１１ｃの外周領域１１ｃｏに固定される。この場合、内周部分２１ｉとカソードガス拡散層１３ｃとの間には枠状の隙間１５が形成される。言い換えると、支持フレーム２０はカソードガス拡散層１３ｃから外方に離間される。したがって、接着剤層１４のうち外方に位置する部分は支持フレーム２０の内周部分２１ｉにより覆われ、接着剤層１４のうち内方に位置する部分は露出されることになる。支持フレーム２０は電気絶縁性及び気密性を有し、例えばポリプロピレン系樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフテラート系樹脂及びポリエチレンナフタレート系樹脂のような樹脂から形成される。

膜電極接合体１０及び支持フレーム２０のカソードガス拡散層１３ｃ側にはカソードセパレータ３０ｃが配置される。カソードセパレータ３０ｃは、周囲部分３０ｃｐと、周囲部分３０ｃｐに囲まれた中央部分３０ｃｃとを有する。カソードセパレータ３０ｃの中央部分３０ｃｃはカソードガス拡散層１３ｃとほぼ同じ大きさである。カソードセパレータ３０ｃは、周囲部分３０ｃｐにおいて接着剤層３１ｃを介し支持フレーム２０の外周部分２１ｏに固定され、中央部分３０ｃｃにおいてカソードガス拡散層１３ｃに当接されて電気的に接続される。一方、膜電極接合体１０及び支持フレーム２０のアノードガス拡散層１３ａ側にはアノードセパレータ３０ａが配置される。アノードセパレータ３０ａは、周囲部分３０ａｐと、周囲部分３０ａｐに囲まれた中央部分３０ａｃとを有する。アノードセパレータ３０ａの中央部分３０ａｃはアノードガス拡散層１３ａとほぼ同じ大きさである。アノードセパレータ３０ａは、周囲部分３０ａｐにおいて接着剤層３１ａを介し支持フレーム２０の外周部分２１ｏに固定され、中央部分３０ａｃにおいてアノードガス拡散層１３ａに当接されて電気的に接続される。この場合、支持フレーム２０は、外周部分２１ｏにおいてカソードセパレータ３０ｃ及びアノードセパレータ３０ａに固定され、内周部分２１ｉにおいてカソードセパレータ３０ｃ及びアノードセパレータ３０ａに固定されることなく膜電極接合体１０に固定されるということになる。

積層体３を形成するために燃料電池単セル２は厚さ方向ＴＤに互いに積層される。この場合、互いに隣接する２つの燃料電池単セル２のうち一方のカソードセパレータ３０ｃと、他方のアノードセパレータ３０ａとが互いに当接し、互いに電気的に接続される。したがって、燃料電池スタック１において燃料電池単セル２は電気的に直列に接続されている。

カソードセパレータ３０ｃの周囲部分３０ｃｐ及びアノードセパレータ３０ａの周囲部分３０ａｐには、燃料電池単セル２の厚さ方向ＴＤ外向きの凹溝３２ｃｐ，３２ａｐがそれぞれ形成される。これら凹溝３２ｃｐ，３２ａｐ内には、燃料電池単セル２が互いに積層されたときに互いに隣接する燃料電池単セル２同士間のシールを確保するためのガスケット（図示しない）が受容される。

また、カソードセパレータ３０ｃの中央部分３０ｃｃ及びアノードセパレータ３０ａの中央部分３０ａｃには、燃料電池単セル２の厚さ方向ＴＤ内向きの複数の凹溝３３ｃｃ，３３ａｃと、燃料電池単セル２の厚さ方向ＴＤ外向きの複数の凹溝３４ｃｃ，３４ａｃとがそれぞれ交互に形成される。カソードセパレータ３０ｃの内向きの凹溝３３ｃｃはカソードガス拡散層１３ｃに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を画定し、アノードセパレータ３０ａの内向きの凹溝３３ａｃはアノードガス拡散層１３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を画定する。一方、カソードセパレータ３０ｃの外向きの凹溝３４ｃｃ及びアノードセパレータ３０ａの外向きの凹溝３４ａｃは、燃料電池単セル２が互いに積層されたときに互いに対面して冷却水通路を画定する。カソードセパレータ３０ｃ及びアノードセパレータ３０ａは例えばステンレス、チタンのような金属から形成される。

図２に示されるように、支持フレーム２０の長手方向一側に位置する外周部分２１ｏには３つの貫通孔２６ｉ，２７ｉ，２８ｉが形成され、支持フレーム２０の長手方向他側に位置する外周部分２１ｏには３つの貫通孔２６ｏ，２７ｏ，２８ｏが形成される。また、カソードセパレータ３０ｃの長手方向一側に位置する周囲部分３０ｃｐには３つの貫通孔３６ｃｉ，３７ｃｉ，３８ｃｉが形成され、カソードセパレータ３０ｃの長手方向他側に位置する周囲部分３０ｃｐには３つの貫通孔３６ｃｏ，３７ｃｏ，３８ｃｏが形成される。更に、アノードセパレータ３０ａの長手方向一側に位置する周囲部分３０ａｐには３つの貫通孔３６ａｉ，３７ａｉ，３８ａｉが形成され、アノードセパレータ３０ａの長手方向他側に位置する周囲部分３０ａｐには３つの貫通孔３６ａｏ，３７ａｏ，３８ａｏが形成される。燃料電池単セル２が組み立てられると、貫通孔３６ａｉ，２６ｉ，３６ｃｉは互いに整列されて酸化剤ガス流入通路を形成する。同様に、貫通孔３７ａｉ，２７ｉ，３７ｃｉは互いに整列されて冷却水流入通路を形成し、貫通孔３８ａｉ，２８ｉ，３８ｃｉは互いに整列されて燃料ガス流入通路を形成する。また、貫通孔３６ａｏ，２６ｏ，３６ｃｏは互いに整列されて燃料ガス流出通路を形成し、貫通孔３７ａｏ，２７ｏ，３７ｃｏは互いに整列されて冷却水流出通路を形成し、貫通孔３８ａｏ，２８ｏ，３８ｃｏは互いに整列されて酸化剤ガス流出通路を形成する。図３を参照して上述した燃料ガス通路、冷却水通路、及び酸化剤ガス通路はそれぞれ、一方では燃料ガス流入通路、冷却水流入通路、及び酸化剤ガス流入通路にそれぞれ連通され、他方では燃料ガス流出通路、冷却水流出通路、及び酸化剤ガス流出通路にそれぞれ連通される。燃料電池単セル２が互いに積層されると、燃料ガス流入通路及び燃料ガス流出通路はそれぞれ互い連通されて燃料ガス流入マニホルド及び燃料ガス流出マニホルドをそれぞれ形成し、冷却水流入通路及び冷却水流出通路はそれぞれ互い連通されて冷却水流入マニホルド及び冷却水流出マニホルドをそれぞれ形成し、酸化剤ガス流入通路及び酸化剤ガス流出通路はそれぞれ互い連通されて酸化剤ガス流入マニホルド及び酸化剤ガス流出マニホルドをそれぞれ形成する。

燃料電池単セル２の製造方法を簡単に説明すると、まず、カソードガス拡散層１３ｃ及びアノードガス拡散層１３ａを有する膜電極接合体１０が用意される。次いで、外周領域１１ｃｏに接着剤層１４が形成される。次いで、支持フレーム２０の内周部分２１ｉが外周領域１１ｃｏに重ねられ、接着剤層１４により外周領域１１ｃｏに固定される。次いで、支持フレーム２０の外周部分２１ｏに接着剤層３１ｃ，３１ａが形成される。次いで、カソードセパレータ３０ｃ及びアノードセパレータ３０ａが接着剤層３１ｃ，３１ａにより支持フレーム２０の外周部分２１ｏにそれぞれ固定される。

再び図１を参照すると、積層方向ＳＤに関し外側の積層体３に一対の外側区域ＯＲが画定されており、これら外側区域ＯＲ同士間の積層体３に内側区域ＩＲが画定されている。図１に示される例では、一方の外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の数と他方の外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の数とは互いに等しい。図示しない別の実施例では、一方の外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の数と他方の外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の数とは互いに異なっている。また、図１に示される例では、各外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の数は内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の数よりも少ない。

さて、燃料電池単セル２の温度が低くなると、支持フレーム２０が比較的大きく収縮する。この場合、支持フレーム２０は、カソードセパレータ３０ｃ及びアノードセパレータ３０ａに固定されている外周部分２１ｏでは収縮しにくいけれども、内周部分２１ｉでは比較的容易に収縮できる。その結果、膜電極接合体１０と支持フレーム２０との間に引張応力が生じ、隙間１５における接着剤層１４、又は、膜電極接合体１０に亀裂が生じるおそれがある。この問題は、燃料電池単セル２の製造時にも生じうる。すなわち、接着剤層１４を熱硬化性接着剤から形成した場合、接着剤層１４周りの膜電極接合体１０及び支持フレーム２０が加熱され、次いで冷却される。この冷却過程において、支持フレーム２０が比較的大きく収縮し、膜電極接合体１０と支持フレーム２０との間に大きな引張応力が生じうる。

この点について鋭意研究した結果、膜電極接合体１０の亀裂の発生のしにくさは、隙間１５における接着剤層１４の厚さである接着剤厚さｄＡに依存することが判明した。すなわち、図４は、外周領域１１ｃｏにおいて互いに接着された膜電極接合体１０及び支持フレーム２０に引張荷重を作用し、接着剤層１４及び膜電極接合体１０が破断するときの膜電極接合体１０の歪みである破断歪みＢＤ（％）と、接着剤厚さｄＡとの関係を示す実験結果である。この破断歪みＢＤは、膜電極接合体１０の亀裂の発生のしにくさを表している。すなわち、破断歪みＢＤが大きいときには破断歪みＢＤが小さいときに比べて膜電極接合体１０に亀裂が生じにくい。なお、破断歪みＢＤは、引張荷重−歪み曲線において、引張荷重がゼロまで低下したときの歪みとして求められる。また、図４には、周囲温度が−２０℃の場合の破断歪みＢＤが▲でもってプロットされており、周囲温度が−３０℃の場合の破断歪みＢＤが●でもってプロットされている。

図４に示されるように、周囲温度が−２０℃の場合の破断歪みＢＤは、接着剤厚さｄＡが１５μｍのときには５２％であり、接着剤厚さｄＡが３６μｍのときには８０％であり、接着剤厚さｄＡが６２μｍのときには８２％であった。また、接着剤厚さｄＡが０μｍのとき、すなわち接着剤層１４が設けられないときには破断歪みＢＤは３７％であった。一方、周囲温度が−３０℃の場合の破断歪みＢＤは、接着剤厚さｄＡが１５μｍのときには３２％であり、接着剤厚さｄＡが３６μｍのときには７０％であり、接着剤厚さｄＡが６２μｍのときには６３％であった。また、接着剤厚さｄＡが０μｍのとき、すなわち接着剤層１４が設けられないときには破断歪みＢＤは２５％であった。

図４から次の３つの知見が得られる。すなわち、１つ目は、接着剤厚さｄＡが０μｍから増大すると、破断歪みＢＤが増大する、すなわち接着剤層１４及び膜電極接合体１０が破断しにくくなるということである。２つ目は、接着剤厚さｄＡが３６μｍ以上であると破断歪みＢＤが６３％以上となる、すなわち接着剤層１４及び膜電極接合体１０が破断しにくくなるということである。言い換えると、接着剤厚さｄＡが閾値ｄＡＸ以上であると、破断歪みＢＤがあらかじめ定められた設定歪みＢＤＸ以上になるということである。この閾値ｄＡＸは例えば３６μｍであり、好ましくは４０μｍである。一方、設定歪みＢＤＸは例えば６３％である。３つ目は、周囲温度が高くなると破断歪みＢＤが小さくなる、すなわち破断しにくくなるということである。

一方、積層方向ＳＤに関し積層体３の外側に位置する燃料電池単セル２は、積層方向ＳＤに関し積層体３の内側に位置する燃料電池単セル２と比べて、環境温度の影響を受けやすい。したがって、積層方向ＳＤに関し積層体３の外側に位置する燃料電池単セルには、大きな温度変化が生ずるおそれがあり、大きな引張応力が生ずるおそれがある。すなわち、積層方向ＳＤに関し積層体３の外側に位置する燃料電池単セルでは上述の亀裂の問題はより深刻である。

そこで本発明による実施例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡが内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡよりも大きくなるように、複数の燃料電池単セル２を互いに積層するようにしている。言い換えると、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡのうち最小のものが、内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡのうち最大のものよりも大きい。その結果、外側区域ＯＲでは接着剤厚さｄＡが大きいので、温度変化が大きくても膜電極接合体１０に亀裂が生ずるのを確実に抑制することができる。すなわち、外側区域ＯＲでは接着剤厚さｄＡが大きいので、接着剤層１４自体に亀裂が生ずるのが確実に抑制され、仮に接着剤層１４に亀裂が生じたとしてもこの亀裂が膜電極接合体１０に到達するのが確実に抑制され、したがって温度変化が大きくても膜電極接合体１０に亀裂が生ずるのを確実に抑制することができる。一方、内側区域ＩＲでは温度変化が小さいので、接着剤厚さｄＡが小さくても膜電極接合体１０に亀裂が生じにくい。

図５から図１０は、本発明による実施例の燃料電池単セル２の積層の仕方の一例を示している。

図５に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは図４を参照して説明した閾値ｄＡＸ以上であり、内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは閾値ｄＡＸよりも小さい。このようにすると、外側区域ＯＲにおいて膜電極接合体１０に亀裂が生ずるのを確実に抑制することができる。

図６に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡよりも大きく、しかしながら外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡ及び内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは共に閾値ｄＡＸよりも大きい。

図７に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡよりも大きく、しかしながら外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡ及び内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは共に閾値ｄＡＸよりも小さい。

図８から図１０に示される例では、積層方向ＳＤに関し積層体３の内側から積層体３の外側に向かうにつれて燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡが大きくなるように、燃料電池単セル２が積層される。

しかも、図８に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは閾値ｄＡＸ以上であり、内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは閾値ｄＡＸよりも小さい。

図９に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡ及び内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは共に閾値ｄＡＸよりも大きい。

図１０に示される例では、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡ及び内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡは共に閾値ｄＡＸよりも小さい。

本発明による実施例では、次のようにして燃料電池単セル２が積層される。すなわち、上述したように、接着剤層１４は例えばスクリーン印刷により形成される。この場合、接着剤層１４の厚さにバラツキが生じる。例えば、厚さが５０μｍとなるように接着剤層１４を塗布した場合、接着剤層１４の実際の厚さは５μｍから１００μｍの範囲でばらつく場合がある。そこで、燃料電池単セル２の製造時において、カソードセパレータ３０ｃが膜電極接合体１０及び支持フレーム２０に取り付けられる前に、隙間１５における接着剤層１４の厚さ、すなわち接着剤厚さｄＡが厚さセンサを用いて測定される。本発明による実施例では、複数箇所において接着剤層１４の厚さが測定され、平均化される。図示しない別の実施例では、代表的な一箇所において接着剤層１４の厚さが測定される。得られた接着剤厚さｄＡは燃料電池単セル２に関連付けて記憶される。

次いで、関連付けられた接着剤厚さｄＡを参照しつつ燃料電池単セル２が積層される。例えば、図５に示される例では、積層しようとする燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡが閾値ｄＡＸ以上であるときには、この燃料電池単セル２が外側区域ＯＲに属するように位置決めされ、積層しようとする燃料電池単セル２の接着剤厚さｄＡが閾値ｄＡＸよりも小さいときには、この燃料電池単セル２が内側区域ＩＲに属するように位置決めされる。

ところで、隙間１５の大きさにもバラツキが生じうる。この場合、カソードガス拡散層１３ｃの一側では支持フレーム２０がカソードガス拡散層１３ｃの近くに配置されて隙間１５が目標値よりも小さくなり、カソードガス拡散層１３ｃの他側では支持フレーム２０がカソードガス拡散層１３ｃから遠くに配置されて隙間１５が目標値よりも大きくなる場合がある。

ところが、隙間１５が小さいときには、隙間１５が大きいときに比べて、隙間１５における接着剤層１４は支持フレーム２０の収縮の影響を受けやすい。すなわち、膜電極接合体１０に亀裂が生じやすい。

なお、図２からわかるように隙間１５は矩形の枠状をなしている。隙間１５は全周にわたって必ずしも一定ではなく、位置によってバラツキがある場合がある。このため、一つの燃料電池単セル２内における隙間１５のうち最も小さいものを最小隙間と称することにする。そうすると、最小隙間が小さい燃料電池単セル２では膜電極接合体１０に亀裂が生じやすく、最小隙間が大きい燃料電池単セル２では膜電極接合体１０に亀裂が生じにくい、ということになる。

そこで本発明による別の実施例では、燃料電池単セル２の製造時に最小隙間が測定され、燃料電池単セル２に関連付けて記憶される。次いで、外側区域ＯＲに属する燃料電池単セル２の最小隙間が、内側区域ＩＲに属する燃料電池単セル２の最小隙間よりも大きくなるように、燃料電池単セル２が互いに積層される。その結果、外側区域ＯＲでは最小隙間が大きいので、温度変化が大きくても膜電極接合体１０に亀裂が生ずるのを確実に抑制することができる。一方、内側区域ＩＲでは温度変化が小さいので、最小隙間が小さくても膜電極接合体１０に亀裂が生じにくい。この場合、積層方向ＳＤに関し積層体３の内側から積層体３の外側に向かうにつれて燃料電池単セル２の最小隙間が小さくなるのが好ましい。

１燃料電池スタック
２燃料電池単セル
３積層体
１０膜電極接合体
１１ｃｏ外周領域
１３ｃ，１３ａガス拡散層
１４接着剤層
１５隙間
２０支持フレーム
２１ｏ外周部分
２１ｉ内周部分
３０ｃｐ，３０ａｐ周囲部分
３０ｃ，３０ａセパレータ
３０ｃｃ，３０ａｃ中央部分
ＯＲ外側領域
ＩＲ内側領域
ＳＤ積層方向

Claims

複数の燃料電池単セルを積層方向に互いに積層することにより形成された積層体を備える燃料電池スタックであって、
各燃料電池単セルが、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一側面に外周領域が残るにようにしつつ前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、前記外周領域を覆うように形成された接着剤層と、外周部分及び内周部分を有する支持フレームであって、前記膜電極接合体の前記一側面上の前記ガス拡散層との間に隙間が残るように前記内周部分が前記接着剤層を介して前記外周領域に固定された支持フレームと、周囲部分及び中央部分をそれぞれ有する一対のセパレータであって、前記周囲部分において前記支持フレームの前記外周部分に固定されると共に前記中央部分において前記ガス拡散層に当接するように前記支持フレーム及び前記ガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されたセパレータと、を備えており、
前記積層体が、前記積層方向外側に位置する一対の外側区域と、前記一対の外側区域同士間の内側区域とに区分されており、
前記外側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さが前記内側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さよりも大きい、
燃料電池スタック。
前記外側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さがあらかじめ定められた閾値以上である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記外側区域に属する前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さが３６μｍ以上である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記積層方向に関し前記積層体の内側から前記積層体の外側に向かうにつれて前記燃料電池単セルの前記隙間における前記接着剤層の厚さが大きくなる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池スタック。