JP3906673B2 - 燃料電池及びその組付方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池及びその組付方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池としては、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡという）を２つのセパレータで挟み込んで構成された単セルを複数積層したものが知られている。ＭＥＡは、両面に触媒電極としての白金が塗布された電解質膜と、この電解質膜を挟み込むガス拡散電極とから構成されている。ＭＥＡのうち、一方の面に形成された触媒電極とガス拡散電極とがアノードを構成し、他方の面に形成された触媒電極とガス拡散電極とがカソードを構成する。そして、アノードに面するセパレータには、燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成され、カソードに面するセパレータには、酸化ガスとしてのエアを単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。
【０００３】
ところで、燃料電池を構成する各単セルの出力電圧のばらつきが大きくなると、燃料電池全体としての性能が低下することがある。この点に鑑み、特開２０００−２０８１６１公報には、燃料電池を運転制御するにあたり、各単セルごとの出力電圧をモニタしてその標準偏差を求め、その標準偏差に基づいて電流密度、反応ガス流量あるいは反応ガス圧力を制御することにより、燃料電池全体としての性能を高く維持することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように各単セルの出力電圧の標準偏差に基づいて電流密度、反応ガス流量あるいは反応ガス圧力を制御するとしても、そのような制御のみでは各単セルの出力電圧のばらつきの影響を抑え込むのに限界があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の構成要素を製造した時のばらつきの影響を抑えることができる燃料電池を提供することを目的とする。また、このような燃料電池の組付方法を提供することを別の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けたものである。この燃料電池では、燃料電池に複数個使用される構成要素の精度ばらつきや特性ばらつきが小さくなるため、それらのばらつきの影響を抑えることができ、燃料電池として良好な性能が得られる。例えば、ある構成要素に関し、精度・特性のばらつきが大きいと、一つの燃料電池の中に精度・特性の極めて良好なものと不良に近いものとが混在するため、これら二つに適する制御を同時に行うことは困難であるが、精度・特性のばらつきが小さいと、一つの燃料電池の中には精度・特性がほぼ同じものしか存在しないため、そのものに適する制御を行えばよく、燃料電池としての制御安定性が増す。
【０００８】
なお、「構成要素」とは、燃料電池を構成する要素であって１つの燃料電池に複数個使用される要素であれば特に限定されるものではなく、例えば単セルであってもよいし、単セルを構成するセパレータや膜電極接合体であってもよいし、膜電極接合体を構成する電解質膜、触媒電極層、ガス拡散電極層であってもよいし、その他どのような構成要素であってもよい。
【０００９】
本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性を２以上にランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付けたものでもよい。こうすれば、ランク分けしたあと同じランクの構成要素を集めて組み付けることにより、本発明の効果が得られる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性を所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付けたものでもよい。こうすれば、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。
【００１１】
なお、「許容範囲」とは、実用上支障のない範囲であり、例えば経験的に決められた範囲であってもよいし、理論的に決められた範囲であってもよい。また、ランク分けする場合の許容範囲は、ランク分けしない場合に比べて広範囲としてもよい。すなわち、ランク分けすると精度・特性のばらつきが小さくなるため燃料電池としての制御安定性が増すことから、従来では許容範囲外とされていた部分も含めて許容範囲としても実用上支障が生じにくい。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池において、前記製造時における精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における精度又は特性であってもよい。同じ構成要素であっても機能が異なる場合にはそれぞれの機能に応じて要求される精度又は特性が異なることがある（例えば同じセパレータ又は同じガス拡散電極層であってもアノード側とカソード側とで要求される精度又は特性が異なることがある）ため、同一機能として複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【００１３】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであってもよい。こうすれば、単セルの精度又は特性のばらつきが小さくなるため、そのばらつきによる影響を抑えることができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失であってもよい。こうすれば、各単セルを通過する反応ガス（酸化ガス又は燃料ガス）の流量がほぼ一定になるため、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。ここで、ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方であってもよいし、両方であってもよい。ところで、燃料電池の電気化学反応に必要な量よりも大過剰に供給される反応ガスについては、圧力損失の大小によって出力電圧が影響を受けることは少ないため、圧力損失のばらつきを略同等にする必要性に乏しい。これに対して、電気化学反応に必要な量と同量又はそれより僅かに過剰な量しか供給されない反応ガスについては、圧力損失の高い単セルと圧力損失の低い単セルが併存すると圧力損失の高い単セルには反応ガスが十分に供給されず十分な出力電圧が得られなくなるため、圧力損失を略同等にして各単セルを通過するガス流量をほぼ一定にする必要性が高い。したがって、ガス供給量に応じて、そのガス通路の圧力損失のばらつきを考慮すべきか否かを判断してもよい。
【００１５】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルの出力電圧であってもよい。こうすれば、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。なお、各単セルの出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、前記特性はＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）としてもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルを構成するセパレータであり、前記精度は単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度であってもよい。こうすれば、セパレータの溝の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セルのガス通路の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。
【００１７】
本発明の第２の燃料電池組付方法は、
燃料電池に複数個使用される構成要素につき該構成要素の製造時における精度又は特性を測定する第１工程と、
前記構成要素につき区別し製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付ける第２工程と
を含むものである。
【００１８】
この燃料電池組付方法では、燃料電池に複数個使用される構成要素の精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けるため、その構成要素の精度ばらつきや特性ばらつきが小さくなり、それらのばらつきの影響を抑えることができ、良好な性能の燃料電池が得られる。
【００１９】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記第２工程は、前記構成要素につき製造時における精度又は特性を２以上にランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付ける工程としてもよい。こうすれば、ランク分けしたあと同じランクの構成要素を集めて組み付けることにより、本発明の効果が得られる。
【００２０】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記第２工程は、前記構成要素につき製造時における精度又は特性が所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付ける工程としてもよい。こうすれば、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。
【００２１】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記製造時における精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における精度又は特性であってもよい。同じ構成要素であっても機能が異なる場合にはそれぞれの機能に応じて要求される精度又は特性が異なることがあるため、同一機能として複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【００２２】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであってもよい。こうすれば、単セルの精度又は特性のばらつきが小さくなるため、そのばらつきによる影響を抑えることができる。
【００２３】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失であってもよい。こうすれば、各単セルを通過する反応ガス（酸化ガス又は燃料ガス）の流量がほぼ一定になるため、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。ここで、ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方であってもよいし、両方であってもよい。なお、上述したとおり、ガス供給量に応じて、そのガス通路の圧力損失のばらつきを考慮すべきか否かを判断してもよい。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルの出力電圧であってもよい。こうすれば、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。なお、各単セルの出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、前記特性はＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）としてもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。
【００２５】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルを構成するセパレータであり、前記精度は単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度であってもよい。こうすれば、セパレータの溝の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セルのガス通路の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図、図２は本実施形態の燃料電池を構成する単セルの分解斜視図であり、（ａ）は一方向から見た分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図、図３は単セルの概略構成を表す説明図で、（ａ）は組立前の断面図、（ｂ）は組立後の断面図である。
【００２７】
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、基本単位である単セル２０を複数積層したスタック構造によって構成されている。単セル２０は、ＭＥＡ３０を第１セパレータ４０及び第２セパレータ５０で挟み込んだものである。
【００２８】
ＭＥＡ３０は、電解質膜３１をアノード３２とカソード３３とで挟み込んだ膜電極接合体である。ここで、電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜３１の両面には、白金または白金と他の金属から成る合金を塗布することにより触媒電極層３４，３５が形成され、更にその外側には、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極層３６，３７が配置されている。そして、触媒電極層３４とガス拡散電極層３６とがアノード３２、触媒電極層３５とガス拡散電極層３７とがカソード３３を構成する。なお、ガス拡散電極層３６，３７はカーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００２９】
第１セパレータ４０及び第２セパレータ５０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。このうち、第１セパレータ４０は、向かい合う二辺の一辺に沿って孔部４１，４２が設けられており、この辺と向かい合う辺に沿って孔部４６，４７が設けられている。この第１セパレータ４０は、ＭＥＡ３０のアノード３２と対向する片面に、孔部４１および孔部４２を連通させる屈曲形状の凹溝４３が設けられている。この凹溝４３は、単セル２０内において燃料ガス通路２１を形成する。すなわち、単セル２０において、孔部４１から燃料ガスが供給されると凹溝４３を通って孔部４２から排出される。なお、凹溝４３には、その底面から突出する所定の形状の複数の小突起４４が設けられている。この小突起４４は、その端面でアノード３２のガス拡散電極層３６と接することによって十分な導電性を確保すると共に、凹溝４３が形成する燃料ガス通路２１を通過するガスを拡散してガスの利用率を向上させるという働きを有する。一方、第２セパレータ５０も、向かい合う二辺の一辺に沿って孔部５１，５２が設けられており、この辺と向かい合う辺に沿って５６，５７が設けられている。この第２セパレータ５０は、ＭＥＡ３０のカソード３３と対向する片面に、孔部５６および孔部５７を連通させる屈曲形状の凹溝５３が設けられている。この凹溝５３は、単セル２０内において酸化ガス通路２２を形成する。すなわち、単セル２０において、孔部５６から燃料ガスが供給されると凹溝５３を通って孔部５７から排出される。なお、凹溝５３にも、図示しないが凹溝４３と同様の小突起が設けられている。そして、第１セパレータ４０の孔部４１，４２はそれぞれ第２セパレータ５０の孔部５１，５２に連通され、第１セパレータ４０の孔部４６，４７はそれぞれ第２セパレータ５０の孔部５６，５７に連通されている。
【００３０】
燃料電池１０は、単セル２０を複数個積層し、図１に示すようにその両端に集電板１１，１２、絶縁板１３，１４、エンドプレート１５，１６を順次配置して完成される。集電板１１，１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板１３，１４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート１５，１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板１１，１２にはそれぞれ出力端子１７，１８が設けられており、燃料電池１０で生じた起電力を出力可能となっている。また、エンドプレート１５，１６は、複数個積層された単セル２０を図示しない加圧装置によって積層方向に加圧して保持している。
【００３１】
このように単セル２０を複数個積層した燃料電池１０においては、各単セル２０の孔部４１と孔部５１とがすべて連通して燃料ガス供給マニホルド６１を形成し、各単セル２０の孔部４２と孔部５２とがすべて連通して燃料ガス排出マニホルド６２を形成し、各単セル２０の孔部４６と孔部５６とがすべて連通して酸化ガス供給マニホルド６６を形成し、各単セルの孔部４７と孔部４７とがすべて連通して酸化ガス排出マニホルド６７を形成する。なお、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０との間の空隙にはシール部材３８が配置されている。このシール部材３８は、この部分で各マニホルドを通過する燃料ガスや酸化ガスが混ざり合うのを防止したり、これらのガスが外部に漏れ出すのを防止したりする役割を果たす。
【００３２】
この燃料電池１０を動作させるときには、図示しない制御装置により、燃料ガス供給マニホルド６１に燃料ガス（ここでは水素ガス）を供給し、酸化ガス供給マニホルド６６に酸化ガス（ここでは圧縮エア）を供給する。すると、燃料ガスは各単セル２０の燃料ガス通路２１を通って燃料ガス排出マニホルド６２を経て燃料電池１０の外へ排出され、酸化ガスは各単セル２０の酸化ガス通路２２を通って酸化ガス排出マニホルド６７を経て燃料電池１０の外へ排出される。このとき、各単セル２０では電気化学反応によって起電力が発生するが、単セル２０は直列接続されているため、各単セル２０の起電力の和が燃料電池１０の出力となる。
【００３３】
なお、本実施形態では図示しなかったが、単セル２０には、冷却水が通過する冷却水路も形成されている。燃料電池１０で進行する電気化学反応は発熱反応であるため、冷却水路内に冷却水を循環させることによって、燃料電池１０の内部温度を所定の温度範囲に保っている。
【００３４】
次に、燃料電池１０は複数個の単セル２０を積層したスタック構造を有するものであるが、ここで積層した複数個の単セル２０は、いずれも燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等であり、かつ、酸化ガス通路２２の圧力損失が略同等なものを集めて組み付けられている。以下には、酸化ガス通路２２の圧力損失を例に挙げて説明するが、燃料ガス通路２１の圧力損失についても同様である。
【００３５】
図４は、単セルの圧力損失を測定してから組み付けるまでの手順を表す説明図である。単セル２０の酸化ガス通路２２の圧力損失を測定するには、図４の「▲１▼各単セルの圧力損失の測定」の項に示すように、まず、単セル２０の第１セパレータ４０に第１シールプレート８０を密着させて孔部４１，４２，４６，４７をその第１シールプレート８０により塞ぎ、第２セパレータ５０に第２シールプレート８２を密着させて孔部５１，５２，５６，５７をその第２シールプレート８２により塞ぐ。各シールプレート８０，８２は、単セル２０と接触する面がゴム面になっており、このゴム面によって各孔部を気密に塞ぐ。また、第２シールプレート８２には、側面から孔部５１に対向する位置までを貫通する導入孔８２ａと、孔部５２に対向する位置から側面までを貫通する導出孔８２ｂとを備えている。
【００３６】
導入孔８２ａに接続されたガス供給ラインＬｉｎには、上流側から、元圧を安定させるレギュレータ７０、ガス中の粉塵を除去するフィルタ７２、流量を制御するフローコントローラ７４、ガス流れの絞りを調節する絞り弁７６、単セル２０に供給されるガス圧を測定する第１圧力計７８が設置されている。一方、導出孔８２ｂに接続されたガス排出ラインＬｏｕｔには、上流側から、単セル２０から排出されたガス圧を測定する第２圧力計８４、ガス流れの絞りを調節する絞り弁８６が設置されている。そして、圧力損失を測定する際には、ガス供給ラインＬｉｎに圧縮ガスを供給し、レギュレータ７０を所定の元圧とし、フローコントローラ７４で流量を調節したり絞り弁７６，８６で絞りを調節する。そして、第１圧力計７８を読み取って供給側のガス圧とし、第２圧力計８４を読み取って排出側のガス圧とし、両ガス圧の差を求め、それを圧力損失とする。この圧力損失を予め定められたランクに照らしてランク分けを行う。
【００３７】
ランク分けを説明するにあたり、まずランクの決め方について説明する。図５は単セルの圧力損失と製造個数との関係を表すグラフである。この図５に示すように、酸化ガス通路２２の圧力損失には、それぞれ予め定められた所定の許容範囲があり、横軸に圧力損失、縦軸に頻度（製造個数）をとったとき概ね正規分布となる。この許容範囲は、２以上の小範囲に分割され、各小範囲ごとに第１ランク、第２ランク、……、第ｎランクとランク付けされている。このうち、第１ランクは許容範囲の中で圧力損失が最も低い範囲つまりガス流れ抵抗が最も低い範囲と定められ、ランクの序数が進むにつれて段々に圧力損失が高い範囲となるように定められ、第ｎランクは許容範囲の中で圧力損失が最も高い範囲つまりガス流れ抵抗が最も高い範囲と定められている。ランク分けする際の小範囲の決め方は、許容範囲を均等に分割してもよいし、許容範囲を不均等に分割してもよい。
【００３８】
なお、単セル２０において酸化ガス通路２２の圧力損失がばらつく理由は、セパレータ５０の凹溝５３を形成する際の精度や凹溝５３に突設した小突起を形成する際の精度が各個ごとに異なったり、ＭＥＡ３０の電解質膜３１や触媒電極層３５やガス拡散電極層３７の厚さや密度が各個ごとに異なったり、シール部材３８で第１セパレータ４０と第２セパレータ５０とを接着する際のシール部材使用量が各個ごとに異なったりすることによって、酸化ガス通路２２の容積や通路の内部形状が各個ごとに微妙に異なっているためと考えられる。
【００３９】
ランク分けは、次のようにして行う。すなわち、今回測定対象となった単セル２０につき、酸化ガス通路２２の圧力損失の値が第１ランクから第ｎランクのいずれに属するかに応じて今回の単セル２０の酸化ガス通路２２のランク分けを行い、同じく、燃料ガス通路２１の圧力損失の値が第１ランクから第ｎランクのいずれに属するかに応じて今回の単セル２０の燃料ガス通路２１のランク分けを行う。そして、図４の「▲２▼ランク分け」の項に示したテーブル、すなわち酸化ガス通路２２のランクと燃料ガス通路２１のランクとを表すテーブルにおいて、今回測定対象となった単セル２０がこのテーブルのどこに位置づけられるかを記録する。例えば、酸化ガス通路２２の圧力損失が第１ランクで、燃料ガス通路２１の圧力損失が第２ランクの場合には、「ランク１−２」として記録する。
【００４０】
そして、複数の単セル２０のそれぞれにつき「ランク○−○」（○は１以上の整数）を記録したあと、図４の「▲３▼単セルの組付」の項に示すように、同じランクの単セル２０を集めてそれらを組み付けて燃料電池１０を作製する。例えば、「ランク１−１」の単セル２０を複数集めて組み付けたり、「ランク１−２」の単セル２０を複数集めて組み付けたりする。この結果、得られた燃料電池１０は、酸化ガス通路２２の圧力損失が略同等であるため、酸化ガス供給マニホルド６６から供給された酸化ガスは、その燃料電池１０を構成するいずれの単セル２０の酸化ガス通路２２にも略同じガス流量として流れ、また、燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等であるため、燃料ガス供給マニホルド６１から供給された燃料ガスは、その燃料電池１０を構成するいずれの単セル２０の燃料ガス通路２１にも略同じガス流量として流れる。したがって、どの単セル２０でも略同じように電気化学反応が起こって略同等の出力電圧が発生する。
【００４１】
以上詳述した本実施形態の燃料電池１０によれば、燃料電池１０に複数個使用される構成要素である単セル２０の特性ばらつきすなわち各ガス通路２１，２２の圧力損失のばらつきが小さくなるため、それらのばらつきの影響を抑えることができ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。例えば、単セル２０の圧力損失のばらつきが大きいと、一つの燃料電池１０の中に圧力損失が良好な単セル２０と不良に近い単セル２０とが混在するため、これら二つに適する制御を同時に行うことは困難であるが、本実施形態のように圧力損失のばらつきが小さいと、一つの燃料電池１０の中では同程度の圧力損失の単セル２０しか存在しないため、その単セル２０に適する制御を行えばよく、燃料電池１０としての制御安定性が増す。
【００４２】
また、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。ただし、上述した実施形態における各ガス通路２１，２２の圧力損失の許容範囲は、従来のようにランク分けしない場合に比べて、広範囲としてもよい。すなわち、ランク分けすると各ガス通路２１，２２の圧力損失のばらつきが小さくなるため燃料電池１０としての制御安定性が増すことから、従来では許容範囲外とされていた部分も含めて許容範囲としても実用上支障が生じにくい。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４４】
例えば、上述した実施形態において、燃料ガスとして高純度の水素ガスを電気化学反応に必要な量に比べて大過剰となるように供給する場合には、燃料ガス通路２１の圧力損失の小さな単セル２０と燃料ガス通路２１の圧力損失の大きな単セル２０とを混在させて積層して燃料電池１０を作製したとすると、圧力損失の大きな単セル２０の燃料ガス通路２１には圧力損失の小さな単セル２０の燃料ガス通路２１に比べて燃料ガス流量が小さいが、それでも供給量が過剰なため、電気化学反応に必要な量を満たしていることがある。そのような場合には、燃料ガス通路２１の圧力損失のばらつきを考慮する必要性は低く、必ずしも燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等の単セル２０を集めて組み付ける必要はない。したがって、燃料ガスのガス供給量に応じて燃料ガス通路２１の圧力損失のばらつきを考慮するか否かを判断してもよい。なお、酸化ガスについても同様である。
【００４５】
また、上述した実施形態においては、各ガス通路２１，２２の圧力損失が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製したが、出力電圧が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、各単セル２０の出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。なお、各単セル２０の出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、ＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。あるいは、凹溝４３の製造精度が略同等な第１セパレータ４０と凹溝５３の製造精度が略同等な第２セパレータ５０とを備えた単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、第１セパレータ４０の凹溝４３の製造精度のばらつきや第２セパレータ５０の凹溝５３の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セル２０の各ガス通路２１，２２の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。あるいは、製造精度又は特性が略同等のＭＥＡ３０を備えた単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作成してもよい。
【００４６】
更に、上述した実施形態において、燃料電池１０に複数個使用されるガス拡散電極層３６，３７につき製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けてもよいが、その場合にはアノード３２側のガス拡散電極層３６につき精度又は特性が略同等なものを集め、カソード３３側のガス拡散電極層３７につき精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けることが好ましい。これは、同じガス拡散電極層であっても機能（アノード側かカソード側か）に応じて要求される精度又は特性が異なることがあるため、同一機能として使用されるガス拡散電極層ごとに製造時の精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図である。
【図２】本実施形態の燃料電池を構成する単セルの分解斜視図で、（ａ）は一方向から見た分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図である。
【図３】単セルの概略構成を表す説明図で、（ａ）は組立前の断面図、（ｂ）は組立後の断面図である。
【図４】単セルの圧力損失を測定してから組み付けるまでの手順を表す説明図である。
【図５】単セルの圧力損失と製造個数との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…単セル、２１…燃料ガス通路、２２…酸化ガス通路、３１…電解質膜、３２…アノード、３３…カソード、３４，３５…触媒電極層、３６，３７…ガス拡散電極層、３８…シール部材、４０…第１セパレータ、４１，４２，４６，４７…孔部、４３…凹溝、４４…小突起、５０…第２セパレータ、５１，５２，５６，５７…孔部、５３…凹溝、６１…燃料ガス供給マニホルド、６２…燃料ガス排出マニホルド、６６…酸化ガス供給マニホルド、６７…酸化ガス排出マニホルド、７０…レギュレータ、７２…フィルタ、７４…フローコントローラ、７６…絞り弁、７８…第１圧力計、８０…第１シールプレート、８２…第２シールプレート、８４…第２圧力計、８６…絞り弁、Ｌｉｎ…酸化ガス供給ライン、Ｌｏｕｔ…酸化ガス排出ライン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池及びその組付方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池としては、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡという）を２つのセパレータで挟み込んで構成された単セルを複数積層したものが知られている。ＭＥＡは、両面に触媒電極としての白金が塗布された電解質膜と、この電解質膜を挟み込むガス拡散電極とから構成されている。ＭＥＡのうち、一方の面に形成された触媒電極とガス拡散電極とがアノードを構成し、他方の面に形成された触媒電極とガス拡散電極とがカソードを構成する。そして、アノードに面するセパレータには、燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成され、カソードに面するセパレータには、酸化ガスとしてのエアを単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。
【０００３】
ところで、燃料電池を構成する各単セルの出力電圧のばらつきが大きくなると、燃料電池全体としての性能が低下することがある。この点に鑑み、特開２０００−２０８１６１公報には、燃料電池を運転制御するにあたり、各単セルごとの出力電圧をモニタしてその標準偏差を求め、その標準偏差に基づいて電流密度、反応ガス流量あるいは反応ガス圧力を制御することにより、燃料電池全体としての性能を高く維持することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように各単セルの出力電圧の標準偏差に基づいて電流密度、反応ガス流量あるいは反応ガス圧力を制御するとしても、そのような制御のみでは各単セルの出力電圧のばらつきの影響を抑え込むのに限界があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の構成要素を製造した時のばらつきの影響を抑えることができる燃料電池を提供することを目的とする。また、このような燃料電池の組付方法を提供することを別の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けたものである。この燃料電池では、燃料電池に複数個使用される構成要素の精度ばらつきや特性ばらつきが小さくなるため、それらのばらつきの影響を抑えることができ、燃料電池として良好な性能が得られる。例えば、ある構成要素に関し、精度・特性のばらつきが大きいと、一つの燃料電池の中に精度・特性の極めて良好なものと不良に近いものとが混在するため、これら二つに適する制御を同時に行うことは困難であるが、精度・特性のばらつきが小さいと、一つの燃料電池の中には精度・特性がほぼ同じものしか存在しないため、そのものに適する制御を行えばよく、燃料電池としての制御安定性が増す。
【０００８】
なお、「構成要素」とは、燃料電池を構成する要素であって１つの燃料電池に複数個使用される要素であれば特に限定されるものではなく、例えば単セルであってもよいし、単セルを構成するセパレータや膜電極接合体であってもよいし、膜電極接合体を構成する電解質膜、触媒電極層、ガス拡散電極層であってもよいし、その他どのような構成要素であってもよい。
【０００９】
本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性を２以上にランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付けたものでもよい。こうすれば、ランク分けしたあと同じランクの構成要素を集めて組み付けることにより、本発明の効果が得られる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池は、燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性を所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付けたものでもよい。こうすれば、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。
【００１１】
なお、「許容範囲」とは、実用上支障のない範囲であり、例えば経験的に決められた範囲であってもよいし、理論的に決められた範囲であってもよい。また、ランク分けする場合の許容範囲は、ランク分けしない場合に比べて広範囲としてもよい。すなわち、ランク分けすると精度・特性のばらつきが小さくなるため燃料電池としての制御安定性が増すことから、従来では許容範囲外とされていた部分も含めて許容範囲としても実用上支障が生じにくい。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池において、前記製造時における精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における精度又は特性であってもよい。同じ構成要素であっても機能が異なる場合にはそれぞれの機能に応じて要求される精度又は特性が異なることがある（例えば同じセパレータ又は同じガス拡散電極層であってもアノード側とカソード側とで要求される精度又は特性が異なることがある）ため、同一機能として複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【００１３】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであってもよい。こうすれば、単セルの精度又は特性のばらつきが小さくなるため、そのばらつきによる影響を抑えることができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失であってもよい。こうすれば、各単セルを通過する反応ガス（酸化ガス又は燃料ガス）の流量がほぼ一定になるため、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。ここで、ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方であってもよいし、両方であってもよい。ところで、燃料電池の電気化学反応に必要な量よりも大過剰に供給される反応ガスについては、圧力損失の大小によって出力電圧が影響を受けることは少ないため、圧力損失のばらつきを略同等にする必要性に乏しい。これに対して、電気化学反応に必要な量と同量又はそれより僅かに過剰な量しか供給されない反応ガスについては、圧力損失の高い単セルと圧力損失の低い単セルが併存すると圧力損失の高い単セルには反応ガスが十分に供給されず十分な出力電圧が得られなくなるため、圧力損失を略同等にして各単セルを通過するガス流量をほぼ一定にする必要性が高い。したがって、ガス供給量に応じて、そのガス通路の圧力損失のばらつきを考慮すべきか否かを判断してもよい。
【００１５】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルの出力電圧であってもよい。こうすれば、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。なお、各単セルの出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、前記特性はＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）としてもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池において、前記構成要素は単セルを構成するセパレータであり、前記精度は単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度であってもよい。こうすれば、セパレータの溝の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セルのガス通路の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。
【００１７】
本発明の第２の燃料電池組付方法は、
燃料電池に複数個使用される構成要素につき該構成要素の製造時における精度又は特性を測定する第１工程と、
前記構成要素につき区別し製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付ける第２工程と
を含むものである。
【００１８】
この燃料電池組付方法では、燃料電池に複数個使用される構成要素の精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けるため、その構成要素の精度ばらつきや特性ばらつきが小さくなり、それらのばらつきの影響を抑えることができ、良好な性能の燃料電池が得られる。
【００１９】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記第２工程は、前記構成要素につき製造時における精度又は特性を２以上にランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付ける工程としてもよい。こうすれば、ランク分けしたあと同じランクの構成要素を集めて組み付けることにより、本発明の効果が得られる。
【００２０】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記第２工程は、前記構成要素につき製造時における精度又は特性が所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けし、同じランクの構成要素を集めて組み付ける工程としてもよい。こうすれば、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。
【００２１】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記製造時における精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における精度又は特性であってもよい。同じ構成要素であっても機能が異なる場合にはそれぞれの機能に応じて要求される精度又は特性が異なることがあるため、同一機能として複数個使用される構成要素につき製造時における精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【００２２】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであってもよい。こうすれば、単セルの精度又は特性のばらつきが小さくなるため、そのばらつきによる影響を抑えることができる。
【００２３】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失であってもよい。こうすれば、各単セルを通過する反応ガス（酸化ガス又は燃料ガス）の流量がほぼ一定になるため、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。ここで、ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方であってもよいし、両方であってもよい。なお、上述したとおり、ガス供給量に応じて、そのガス通路の圧力損失のばらつきを考慮すべきか否かを判断してもよい。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルであり、前記特性は単セルの出力電圧であってもよい。こうすれば、各単セルの出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。なお、各単セルの出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、前記特性はＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）としてもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池として良好な性能が得られる。
【００２５】
本発明の第２の燃料電池組付方法において、前記構成要素は単セルを構成するセパレータであり、前記精度は単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度であってもよい。こうすれば、セパレータの溝の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セルのガス通路の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図、図２は本実施形態の燃料電池を構成する単セルの分解斜視図であり、（ａ）は一方向から見た分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図、図３は単セルの概略構成を表す説明図で、（ａ）は組立前の断面図、（ｂ）は組立後の断面図である。
【００２７】
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、基本単位である単セル２０を複数積層したスタック構造によって構成されている。単セル２０は、ＭＥＡ３０を第１セパレータ４０及び第２セパレータ５０で挟み込んだものである。
【００２８】
ＭＥＡ３０は、電解質膜３１をアノード３２とカソード３３とで挟み込んだ膜電極接合体である。ここで、電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜３１の両面には、白金または白金と他の金属から成る合金を塗布することにより触媒電極層３４，３５が形成され、更にその外側には、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極層３６，３７が配置されている。そして、触媒電極層３４とガス拡散電極層３６とがアノード３２、触媒電極層３５とガス拡散電極層３７とがカソード３３を構成する。なお、ガス拡散電極層３６，３７はカーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００２９】
第１セパレータ４０及び第２セパレータ５０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。このうち、第１セパレータ４０は、向かい合う二辺の一辺に沿って孔部４１，４２が設けられており、この辺と向かい合う辺に沿って孔部４６，４７が設けられている。この第１セパレータ４０は、ＭＥＡ３０のアノード３２と対向する片面に、孔部４１および孔部４２を連通させる屈曲形状の凹溝４３が設けられている。この凹溝４３は、単セル２０内において燃料ガス通路２１を形成する。すなわち、単セル２０において、孔部４１から燃料ガスが供給されると凹溝４３を通って孔部４２から排出される。なお、凹溝４３には、その底面から突出する所定の形状の複数の小突起４４が設けられている。この小突起４４は、その端面でアノード３２のガス拡散電極層３６と接することによって十分な導電性を確保すると共に、凹溝４３が形成する燃料ガス通路２１を通過するガスを拡散してガスの利用率を向上させるという働きを有する。一方、第２セパレータ５０も、向かい合う二辺の一辺に沿って孔部５１，５２が設けられており、この辺と向かい合う辺に沿って５６，５７が設けられている。この第２セパレータ５０は、ＭＥＡ３０のカソード３３と対向する片面に、孔部５６および孔部５７を連通させる屈曲形状の凹溝５３が設けられている。この凹溝５３は、単セル２０内において酸化ガス通路２２を形成する。すなわち、単セル２０において、孔部５６から燃料ガスが供給されると凹溝５３を通って孔部５７から排出される。なお、凹溝５３にも、図示しないが凹溝４３と同様の小突起が設けられている。そして、第１セパレータ４０の孔部４１，４２はそれぞれ第２セパレータ５０の孔部５１，５２に連通され、第１セパレータ４０の孔部４６，４７はそれぞれ第２セパレータ５０の孔部５６，５７に連通されている。
【００３０】
燃料電池１０は、単セル２０を複数個積層し、図１に示すようにその両端に集電板１１，１２、絶縁板１３，１４、エンドプレート１５，１６を順次配置して完成される。集電板１１，１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板１３，１４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート１５，１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板１１，１２にはそれぞれ出力端子１７，１８が設けられており、燃料電池１０で生じた起電力を出力可能となっている。また、エンドプレート１５，１６は、複数個積層された単セル２０を図示しない加圧装置によって積層方向に加圧して保持している。
【００３１】
このように単セル２０を複数個積層した燃料電池１０においては、各単セル２０の孔部４１と孔部５１とがすべて連通して燃料ガス供給マニホルド６１を形成し、各単セル２０の孔部４２と孔部５２とがすべて連通して燃料ガス排出マニホルド６２を形成し、各単セル２０の孔部４６と孔部５６とがすべて連通して酸化ガス供給マニホルド６６を形成し、各単セルの孔部４７と孔部４７とがすべて連通して酸化ガス排出マニホルド６７を形成する。なお、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０との間の空隙にはシール部材３８が配置されている。このシール部材３８は、この部分で各マニホルドを通過する燃料ガスや酸化ガスが混ざり合うのを防止したり、これらのガスが外部に漏れ出すのを防止したりする役割を果たす。
【００３２】
この燃料電池１０を動作させるときには、図示しない制御装置により、燃料ガス供給マニホルド６１に燃料ガス（ここでは水素ガス）を供給し、酸化ガス供給マニホルド６６に酸化ガス（ここでは圧縮エア）を供給する。すると、燃料ガスは各単セル２０の燃料ガス通路２１を通って燃料ガス排出マニホルド６２を経て燃料電池１０の外へ排出され、酸化ガスは各単セル２０の酸化ガス通路２２を通って酸化ガス排出マニホルド６７を経て燃料電池１０の外へ排出される。このとき、各単セル２０では電気化学反応によって起電力が発生するが、単セル２０は直列接続されているため、各単セル２０の起電力の和が燃料電池１０の出力となる。
【００３３】
なお、本実施形態では図示しなかったが、単セル２０には、冷却水が通過する冷却水路も形成されている。燃料電池１０で進行する電気化学反応は発熱反応であるため、冷却水路内に冷却水を循環させることによって、燃料電池１０の内部温度を所定の温度範囲に保っている。
【００３４】
次に、燃料電池１０は複数個の単セル２０を積層したスタック構造を有するものであるが、ここで積層した複数個の単セル２０は、いずれも燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等であり、かつ、酸化ガス通路２２の圧力損失が略同等なものを集めて組み付けられている。以下には、酸化ガス通路２２の圧力損失を例に挙げて説明するが、燃料ガス通路２１の圧力損失についても同様である。
【００３５】
図４は、単セルの圧力損失を測定してから組み付けるまでの手順を表す説明図である。単セル２０の酸化ガス通路２２の圧力損失を測定するには、図４の「▲１▼各単セルの圧力損失の測定」の項に示すように、まず、単セル２０の第１セパレータ４０に第１シールプレート８０を密着させて孔部４１，４２，４６，４７をその第１シールプレート８０により塞ぎ、第２セパレータ５０に第２シールプレート８２を密着させて孔部５１，５２，５６，５７をその第２シールプレート８２により塞ぐ。各シールプレート８０，８２は、単セル２０と接触する面がゴム面になっており、このゴム面によって各孔部を気密に塞ぐ。また、第２シールプレート８２には、側面から孔部５１に対向する位置までを貫通する導入孔８２ａと、孔部５２に対向する位置から側面までを貫通する導出孔８２ｂとを備えている。
【００３６】
導入孔８２ａに接続されたガス供給ラインＬｉｎには、上流側から、元圧を安定させるレギュレータ７０、ガス中の粉塵を除去するフィルタ７２、流量を制御するフローコントローラ７４、ガス流れの絞りを調節する絞り弁７６、単セル２０に供給されるガス圧を測定する第１圧力計７８が設置されている。一方、導出孔８２ｂに接続されたガス排出ラインＬｏｕｔには、上流側から、単セル２０から排出されたガス圧を測定する第２圧力計８４、ガス流れの絞りを調節する絞り弁８６が設置されている。そして、圧力損失を測定する際には、ガス供給ラインＬｉｎに圧縮ガスを供給し、レギュレータ７０を所定の元圧とし、フローコントローラ７４で流量を調節したり絞り弁７６，８６で絞りを調節する。そして、第１圧力計７８を読み取って供給側のガス圧とし、第２圧力計８４を読み取って排出側のガス圧とし、両ガス圧の差を求め、それを圧力損失とする。この圧力損失を予め定められたランクに照らしてランク分けを行う。
【００３７】
ランク分けを説明するにあたり、まずランクの決め方について説明する。図５は単セルの圧力損失と製造個数との関係を表すグラフである。この図５に示すように、酸化ガス通路２２の圧力損失には、それぞれ予め定められた所定の許容範囲があり、横軸に圧力損失、縦軸に頻度（製造個数）をとったとき概ね正規分布となる。この許容範囲は、２以上の小範囲に分割され、各小範囲ごとに第１ランク、第２ランク、……、第ｎランクとランク付けされている。このうち、第１ランクは許容範囲の中で圧力損失が最も低い範囲つまりガス流れ抵抗が最も低い範囲と定められ、ランクの序数が進むにつれて段々に圧力損失が高い範囲となるように定められ、第ｎランクは許容範囲の中で圧力損失が最も高い範囲つまりガス流れ抵抗が最も高い範囲と定められている。ランク分けする際の小範囲の決め方は、許容範囲を均等に分割してもよいし、許容範囲を不均等に分割してもよい。
【００３８】
なお、単セル２０において酸化ガス通路２２の圧力損失がばらつく理由は、セパレータ５０の凹溝５３を形成する際の精度や凹溝５３に突設した小突起を形成する際の精度が各個ごとに異なったり、ＭＥＡ３０の電解質膜３１や触媒電極層３５やガス拡散電極層３７の厚さや密度が各個ごとに異なったり、シール部材３８で第１セパレータ４０と第２セパレータ５０とを接着する際のシール部材使用量が各個ごとに異なったりすることによって、酸化ガス通路２２の容積や通路の内部形状が各個ごとに微妙に異なっているためと考えられる。
【００３９】
ランク分けは、次のようにして行う。すなわち、今回測定対象となった単セル２０につき、酸化ガス通路２２の圧力損失の値が第１ランクから第ｎランクのいずれに属するかに応じて今回の単セル２０の酸化ガス通路２２のランク分けを行い、同じく、燃料ガス通路２１の圧力損失の値が第１ランクから第ｎランクのいずれに属するかに応じて今回の単セル２０の燃料ガス通路２１のランク分けを行う。そして、図４の「▲２▼ランク分け」の項に示したテーブル、すなわち酸化ガス通路２２のランクと燃料ガス通路２１のランクとを表すテーブルにおいて、今回測定対象となった単セル２０がこのテーブルのどこに位置づけられるかを記録する。例えば、酸化ガス通路２２の圧力損失が第１ランクで、燃料ガス通路２１の圧力損失が第２ランクの場合には、「ランク１−２」として記録する。
【００４０】
そして、複数の単セル２０のそれぞれにつき「ランク○−○」（○は１以上の整数）を記録したあと、図４の「▲３▼単セルの組付」の項に示すように、同じランクの単セル２０を集めてそれらを組み付けて燃料電池１０を作製する。例えば、「ランク１−１」の単セル２０を複数集めて組み付けたり、「ランク１−２」の単セル２０を複数集めて組み付けたりする。この結果、得られた燃料電池１０は、酸化ガス通路２２の圧力損失が略同等であるため、酸化ガス供給マニホルド６６から供給された酸化ガスは、その燃料電池１０を構成するいずれの単セル２０の酸化ガス通路２２にも略同じガス流量として流れ、また、燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等であるため、燃料ガス供給マニホルド６１から供給された燃料ガスは、その燃料電池１０を構成するいずれの単セル２０の燃料ガス通路２１にも略同じガス流量として流れる。したがって、どの単セル２０でも略同じように電気化学反応が起こって略同等の出力電圧が発生する。
【００４１】
以上詳述した本実施形態の燃料電池１０によれば、燃料電池１０に複数個使用される構成要素である単セル２０の特性ばらつきすなわち各ガス通路２１，２２の圧力損失のばらつきが小さくなるため、それらのばらつきの影響を抑えることができ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。例えば、単セル２０の圧力損失のばらつきが大きいと、一つの燃料電池１０の中に圧力損失が良好な単セル２０と不良に近い単セル２０とが混在するため、これら二つに適する制御を同時に行うことは困難であるが、本実施形態のように圧力損失のばらつきが小さいと、一つの燃料電池１０の中では同程度の圧力損失の単セル２０しか存在しないため、その単セル２０に適する制御を行えばよく、燃料電池１０としての制御安定性が増す。
【００４２】
また、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じてランク分けするため、許容範囲を外れた精度又は特性のものは除外される。ただし、上述した実施形態における各ガス通路２１，２２の圧力損失の許容範囲は、従来のようにランク分けしない場合に比べて、広範囲としてもよい。すなわち、ランク分けすると各ガス通路２１，２２の圧力損失のばらつきが小さくなるため燃料電池１０としての制御安定性が増すことから、従来では許容範囲外とされていた部分も含めて許容範囲としても実用上支障が生じにくい。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４４】
例えば、上述した実施形態において、燃料ガスとして高純度の水素ガスを電気化学反応に必要な量に比べて大過剰となるように供給する場合には、燃料ガス通路２１の圧力損失の小さな単セル２０と燃料ガス通路２１の圧力損失の大きな単セル２０とを混在させて積層して燃料電池１０を作製したとすると、圧力損失の大きな単セル２０の燃料ガス通路２１には圧力損失の小さな単セル２０の燃料ガス通路２１に比べて燃料ガス流量が小さいが、それでも供給量が過剰なため、電気化学反応に必要な量を満たしていることがある。そのような場合には、燃料ガス通路２１の圧力損失のばらつきを考慮する必要性は低く、必ずしも燃料ガス通路２１の圧力損失が略同等の単セル２０を集めて組み付ける必要はない。したがって、燃料ガスのガス供給量に応じて燃料ガス通路２１の圧力損失のばらつきを考慮するか否かを判断してもよい。なお、酸化ガスについても同様である。
【００４５】
また、上述した実施形態においては、各ガス通路２１，２２の圧力損失が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製したが、出力電圧が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、各単セル２０の出力電圧のばらつきが抑えられ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。なお、各単セル２０の出力電圧を測定する際には、電流密度、ガス流量などの条件を一定にして測定することが好ましい。あるいは、ＩＶ特性（電流密度と出力電圧との関係を表す特性）が略同等な単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、各単セルのＩＶ特性のばらつきが抑えられ、燃料電池１０として良好な性能が得られる。あるいは、凹溝４３の製造精度が略同等な第１セパレータ４０と凹溝５３の製造精度が略同等な第２セパレータ５０とを備えた単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作製してもよい。こうすれば、第１セパレータ４０の凹溝４３の製造精度のばらつきや第２セパレータ５０の凹溝５３の製造精度のばらつきが小さくなるため、単セル２０の各ガス通路２１，２２の形状や容積等のばらつきも小さくなり、圧力損失や出力電圧のばらつきも小さくなりやすい。あるいは、製造精度又は特性が略同等のＭＥＡ３０を備えた単セル２０を複数集めて組み付けることにより燃料電池１０を作成してもよい。
【００４６】
更に、上述した実施形態において、燃料電池１０に複数個使用されるガス拡散電極層３６，３７につき製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けてもよいが、その場合にはアノード３２側のガス拡散電極層３６につき精度又は特性が略同等なものを集め、カソード３３側のガス拡散電極層３７につき精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けることが好ましい。これは、同じガス拡散電極層であっても機能（アノード側かカソード側か）に応じて要求される精度又は特性が異なることがあるため、同一機能として使用されるガス拡散電極層ごとに製造時の精度又は特性が同等なものを集めて組み付けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図である。
【図２】本実施形態の燃料電池を構成する単セルの分解斜視図で、（ａ）は一方向から見た分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図である。
【図３】単セルの概略構成を表す説明図で、（ａ）は組立前の断面図、（ｂ）は組立後の断面図である。
【図４】単セルの圧力損失を測定してから組み付けるまでの手順を表す説明図である。
【図５】単セルの圧力損失と製造個数との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…単セル、２１…燃料ガス通路、２２…酸化ガス通路、３１…電解質膜、３２…アノード、３３…カソード、３４，３５…触媒電極層、３６，３７…ガス拡散電極層、３８…シール部材、４０…第１セパレータ、４１，４２，４６，４７…孔部、４３…凹溝、４４…小突起、５０…第２セパレータ、５１，５２，５６，５７…孔部、５３…凹溝、６１…燃料ガス供給マニホルド、６２…燃料ガス排出マニホルド、６６…酸化ガス供給マニホルド、６７…酸化ガス排出マニホルド、７０…レギュレータ、７２…フィルタ、７４…フローコントローラ、７６…絞り弁、７８…第１圧力計、８０…第１シールプレート、８２…第２シールプレート、８４…第２圧力計、８６…絞り弁、Ｌｉｎ…酸化ガス供給ライン、Ｌｏｕｔ…酸化ガス排出ライン。
Claims (22)
- 燃料電池に複数個使用される構成要素につき製造時における複数の精度又は特性を２以上にランク分けし、該複数の精度又は特性の各々につきランクが同じである構成要素を集めて組み付けた燃料電池。
- 前記ランク分けは、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じて行う、請求項１に記載の燃料電池。
- 前記複数の精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における複数の精度又は特性である請求項１又は２に記載の燃料電池。
- 前記構成要素は、単セルである請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記複数の精度又は特性の一つは、単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失である請求項４記載の燃料電池。
- 前記ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方又は両方である請求項５記載の燃料電池。
- 前記複数の精度又は特性の一つは、単セルの出力電圧である請求項４記載の燃料電池。
- 前記構成要素は、単セルを構成するセパレータ若しくは膜電極接合体であるか、又は、膜電極接合体を構成する電解質膜、触媒電極層若しくはガス拡散電極層である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記構成要素はセパレータであり、前記複数の精度又は特性の一つは単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
- 燃料電池に複数個使用される単セルにつき、製造時において該単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失が略同等なものを集めて組み付けた燃料電池。
- 前記ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方又は両方である請求項１０記載の燃料電池。
- 燃料電池に複数個使用される構成要素につき該構成要素の製造時における複数の精度又は特性を測定する第１工程と、
前記複数の精度又は特性を２以上にランク分けし、該複数の精度又は特性の各々につきランクが同じである構成要素を集めて組み付ける第２工程と
を含む燃料電池の組付方法。 - 前記第２工程でのランク分けは、所定の許容範囲内にて２以上に分割した範囲に応じて行う請求項１２に記載の燃料電池の組付方法。
- 前記複数の精度又は特性は、燃料電池に同一機能として複数個使用される構成要素の製造時における複数の精度又は特性である請求項１２又は１３に記載の燃料電池の組付方法。
- 前記構成要素は、単セルである請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池の組付方法。
- 前記複数の精度又は特性の一つは、単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失である請求項１５記載の燃料電池の組付方法。
- 前記ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方又は両方である請求項１６記載の燃料電池の組付方法。
- 前記複数の精度又は特性の一つは、単セルの出力電圧である請求項１５記載の燃料電池の組付方法。
- 前記構成要素は、単セルを構成するセパレータ若しくは膜電極接合体、又は、膜電極接合体を構成する電解質膜、触媒電極層若しくはガス拡散電極層である請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池の組付方法。
- 前記構成要素はセパレータであり、前記複数の精度又は特性の一つは単セルのガス通路を形成するために設けられた溝の製造精度である請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池の組付方法。
- 燃料電池に複数個使用される単セルにつき該単セルの製造時における精度又は特性を測定する第１工程と、
前記単セルにつき区別し製造時において該単セルに設けられたガス通路をガスが通過する際の圧力損失が略同等なものを集めて組み付ける第２工程と、
を含む燃料電池の組付方法。 - 前記ガス通路は、酸化ガス通路及び燃料ガス通路のいずれか一方又は両方である請求項２０記載の燃料電池の組付方法。
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