JP4043724B2 - 単位燃料電池及び燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持して構成される膜電極構造体の更に外側を一対のセパレータで挟持してなる単位燃料電池の製造方法、及び該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックの製造方法に係り、特に、膜電極構造体の厚さにばらつきがあってもそれに影響されることなく、シール部位における締め代を一定化し得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型の単位燃料電池は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設け、更にその外側を一対のセパレータによって挟持して構成されている。
そして、このような構成を有する単位燃料電池は、通常、所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
単位燃料電池の一例について、図１１の要部拡大断面図を用いて説明する。
この単位燃料電池１において、カソード電極２ａに対向配置されるカソード側セパレータ３ａの一方の面には酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路４が設けられている。
他方、アノード電極２ｂに対向配置されるアノード側セパレータ３ｂには、一方の面に燃料ガス（例えば、水素）の流路５が設けられると共に、他方の面に冷却媒体（例えば、水やエチレングリコール）の流路６が設けられている。
【０００４】
これら燃料ガス，酸化剤ガス（以下、これらを「反応ガス」と略記する場合がある。）及び冷却媒体は、各々独立した流路４〜６に通す必要があるため、各流路４〜６間を仕切るシール技術が重要となる。
シール部位としては、反応ガス及び冷却媒体を各単位燃料電池１に分配供給すべくセパレータ３ａ，３ｂに貫通形成された連通孔（図示略）の周囲，固体高分子電解質膜７とその両側に配設される電極２ａ，２ｂとから構成される膜電極構造体８の外縁，セパレータ３ａ，３ｂの冷媒流路面外縁，及びセパレータ３ａ，３ｂの表裏面の外縁等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、単位燃料電池１及び燃料電池スタックに関するシール技術としては、有機ゴム等の柔らかく適度に反発力のある固形シール９を用い、スタック積層方向（図１１では紙面上下方向）に荷重を負荷することにより、シール部位に配設された固形シール９を圧縮し、これにより生じた面圧によって上記シール部位をシールするものが知られている。
かかる技術において、固形シール９の締め代であるシール圧縮量Δｈは、以下の式で定義される。
【０００６】
Δｈ ＝Δｈ1＋Δｈ2 …（１）
Δｈ1＝ｈseal−ｈMEA …（２）
ｈseal：固形シール９のシール高さ
ｈMEA ：膜電極構造体８の厚さ
Δｈ2 ：荷重負荷時の膜電極構造体圧縮量
【０００７】
ここで、燃料電池スタックの各積層面においては、内部抵抗や接触抵抗の増大を抑えるため、単位燃料電池１内あるいは単位燃料電池１間で十分な接触が得られるだけの面圧が確保されている必要がある。
しかしながら、上記式（１），（２）より明らかなように、膜電極構造体８毎にその厚さｈMEAがばらつくと、このばらつきΔｈMEAは、締め代であるシール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまう。
【０００８】
図１２において、このシール圧縮量Δｈは、上記面圧を得る上で必要となる膜電極構造体８の面荷重Ｆのしきい値と、所定の厚さｈMEA（以下、「基準厚さ」という。）を有する膜電極構造体８の面荷重曲線（二点鎖線）及び前記基準厚さよりもΔｈMEAだけ厚さｈMEAの異なる膜電極構造体８の面荷重曲線（一点鎖線）との各交点間距離で表されるから、ばらつきΔｈMEAがシール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまうと、シール荷重Ｆｓ（破線）のばらつきΔＦｓも大きくなる。
【０００９】
また、同一の膜電極構造体８においても、その厚さｈMEAが面内方向でばらつくと、シール部位に作用する固形シール９からセパレータ３ａ，３ｂ及び膜電極構造体８に作用するシール面圧もばらつくため、シール性の悪化による発電性能の低下、及び単位燃料電池１間の面荷重がばらつくことによる曲げ変形を招く。この曲げ変形は、セパレータ３ａ，３ｂを厚くすれば阻止できるものの、燃料電池スタックの大型化及び重量化を招くため、例えば車載用には不向きとなる。
【００１０】
その他、単位燃料電池１及び燃料電池スタックに関するシール技術として、上記固形シール９に関する技術の他に、スタック積層方向に荷重を負荷した状態でシール部位に接着剤等を充填し、界面の接着力でシール部位をシールするものも知られている（例えば、特開平７−２４９４１７号）。
しかしながら、この接着シールに関する技術においては、界面接着力の耐久信頼性が厳しいという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜電極構造体の厚さにばらつきがあってもそれに影響されることなく、シール部位における締め代を一定化し得る単位燃料電池及び燃料電池スタックの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。
請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１８）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２５，アノード電極２７）で挟持した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体１２）の更に外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ１４，アノード側セパレータ１６）で挟持してなる単位燃料電池（例えば、実施の形態における単位燃料電池１０）の製造方法であって、前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部（例えば、実施の形態におけるはみ出し部１８ａ）、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面（例えば、実施の形態における溝部２８）のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させる工程（例えば、実施の形態における図３〜図６で示す工程）を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、そのままの状態で液状シールを固化させれば、膜電極構造体の厚さが面内方向においてばらつく場合や、膜電極構造体毎にばらつく場合であっても、そのばらつきの有無に拘わらず、各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代が一定化される。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１８）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２５，アノード電極２７）で挟持した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体１２）の更に外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ１４，アノード側セパレータ１６）で挟持して構成される単位燃料電池（例えば、実施の形態における単位燃料電池１０）を複数個積層して燃料電池スタックとする燃料電池スタックの製造方法であって、前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部（例えば、実施の形態におけるはみ出し部１８ａ）、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面（例えば、実施の形態における溝部２８）のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させて単位燃料電池を得る工程（例えば、実施の形態における図３〜図６で示す工程）と、該工程を経て得られた所定個数の単位燃料電池を積層した後、その両端に配したエンドプレート（例えば、実施の形態におけるエンドプレート９０）間の距離を縮める方向に圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとする工程（例えば、実施の形態における図７〜図９で示す工程）とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、単位燃料電池を得る工程において、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、該工程を経て得た単位燃料電池を所定個数積層し、その積層方向に沿って圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとした際にも、スタック全体を通じて各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代が均一化される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る製造方法の一実施の形態により製造される単位燃料電池の分解斜視図である。
この単位燃料電池１０は、膜電極構造体１２と、これを挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備えてなり、これが複数組積層されることにより、例えば車両用の燃料電池スタックが構成される。
【００１７】
膜電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２とを有し、これらカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２の外側には、カソード側ガス拡散層２４及びアノード側ガス拡散層２６が配設されている。
そして、カソード側触媒層２０とカソード側ガス拡散層２４とでカソード電極２５が構成され、アノード側触媒層２２とアノード側ガス拡散層２６とでアノード電極２７が構成される。
【００１８】
固体高分子電解質膜１８には、これを挟んで配設されるカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２の外周からはみ出す部分、すなわち、図１において二点鎖線よりも外側の部分が、はみ出し部１８ａとして設けられている。
このはみ出し部１８ａの両側（両面）には、カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の外縁部に塗布された液状シールＳが直接密着するようになっている。この液状シールＳについては後述する。
【００１９】
カソード側セパレータ１４は、その平面内であって外縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。
カソード側セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。
【００２０】
また、カソード側セパレータ１４の平面内であって外縁部に位置する横方向両端下部側には、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００２１】
カソード側セパレータ１４のカソード側触媒層２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して、各々独立した複数本の第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、複数本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。
【００２２】
カソード側セパレータ１４には、このカソード側セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記カソード側セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００２３】
また、アノード側セパレータ１６の平面内であって外縁部に位置する横方向両端側には、カソード側セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
【００２４】
前記アノード側セパレータ１６の面１６ａには、図２に示すように、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して、各々が独立した複数本の第１燃料ガス流路溝６０が形成されている。
この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝（図示略）に合流してこの第２燃料ガス流路溝が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
【００２５】
アノード側セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路（図示略）とが、前記アノード側セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００２６】
アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、後述の液状シールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して、冷却媒体流路を構成する複数の主流路溝７２ａ，７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ，７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
【００２７】
アノード側セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記アノード側セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００２８】
ここで、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに対応する位置には、この固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側セパレータ１６のアノード側触媒層２２に対向する面１６ａに溝部（はみ出し部に対応するセパレータ面）２８が設けられており、この溝部２８に液状シールＳが塗布されている。
【００２９】
また、このアノード側セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３０が形成されており、この溝部３０にも液状シールＳが塗布されている。
【００３０】
さらに、前記アノード側セパレータ１６と共に膜電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４のカソード側触媒層２０に対向する面１４ａにも、前記アノード側セパレータ１６の面１６ａの溝部２８及び溝部３０に対応する位置に、溝部２８及び溝部３０が形成されており、各溝部２８，３０には液状シールＳが塗布されている。
【００３１】
したがって、図２に示すように、これら膜電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との溝部２８，３０に塗布された各液状シールＳが、溝部２８の液状シールＳにあっては、前記はみ出し部１８ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着することで膜電極構造体１２の周囲をシールし、溝部３０の液状シールＳにあっては、互いに密着することで各連通孔３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂの周囲をシールするようになっている。
【００３２】
前記アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、複数の燃料電池１０を積層した際に前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられており、この溝部３４には液状シールＳが塗布されている。
【００３３】
また、このアノード側セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成されており、この溝部３５にも液状シールＳが塗布されている。
【００３４】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４，第２燃料ガス連結流路（図示略）を囲むように形成されている。
また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は、前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。
【００３５】
そして、単位燃料電池１０を積層する際に、カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲において、アノード側セパレータ１６側の液状シールＳがカソード側セパレータ１４の面１４ｂに密着し、セパレータ１４，１６間の水密性が確保される。
【００３６】
液状シールＳは、例えば、熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化（固化）するものであり、その塗布後においては、前記溝部２８，３０，３４，３５内で潰れることにより、シール部位における寸法誤差、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAや，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきを吸収し、硬化後における荷重作用時の圧縮量を均一化できる材質が採用される。
【００３７】
次に、図３〜図９を用いて、上記構成からなる単位燃料電池１０の製造方法、及び該単位燃料電池１０を複数積層してなる燃料電池スタックの製造方法について、主たる工程を中心に説明する。
まず、上記構成からなるカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６を準備し、これらセパレータ１４，１６の各溝部２８，３０に液状シールＳを塗布する（図３）。
この液状シールＳは、塗布した状態の略円形断面形状が維持される（図４）。
【００３８】
次に、予め組立てられた膜電極構造体１２を準備し、該膜電極構造体１２をカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間に配しつつ、これを押さえ治具８２，８２間に挟み込むようにしてセットする（図５）。
この図５において、符号８６は、膜電極構造体１２の外縁部を支持する支え治具であり、カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６に対する面内方向での位置決めを行うものである。
【００３９】
次いで、上下の押さえ治具８２を相対接近させることにより、膜電極構造体１２をカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６で挟持し、両セパレータ１４，１６の溝部２８に塗布された液状シールＳについては、互いに対向する位置において固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着するように、また、溝部３０に塗布された液状シールＳについては、互いに密着するように、仮組立を行う。
【００４０】
この仮組立とは、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが、面内方向にて均一になる程度の低荷重を作用させた状態に組み立てるこという。
各液状シールＳは、この仮組立時に溝部２８，３０内で潰れ、シール部分における寸法誤差、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAのばらつき，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきを吸収する。
これにより、後述する単位燃料電池積層後のボルト９２による積層方向圧縮時においても、スタック全体を通じて、各シール部位における液状シールＳの圧縮量、すなわち、締め代が均一化されることになる。
【００４１】
次いで、膜電極構造体１２をカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６で挟持してなる仮組立体を、押さえ治具８２ごとオーブン等に入れて加熱し、上記低荷重を作用させたままの状態で、液状シールＳを硬化させる。
しかる後、この仮組立体から押さえ治具８２を外して放冷すると、上記構成を備えた単位燃料電池１０、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが面内方向にばらつく場合であっても、液状シールＳの締め代が一定化された単位燃料電池１０が得られる（図６）。
【００４２】
次に、上記工程を経て得られた単位燃料電池１０のアノード側セパレータ１６の面１６ｂに形成された溝部３４，３５に液状シールＳを塗布し（図７）、この面１６ｂに、上記工程を経て得られた他の単位燃料電池１０のカソード側セパレータ１４の面１４ｂを重ねる、という手順を繰り返し行い、単位燃料電池１０をエンドプレート９０上に順次積層する（図８）。
そして、所定個数の単位燃料電池１０を積層したら、更にその外側にエンドプレート（図示略）を積層してボルト９２で締め付け、燃料電池スタックとする。
【００４３】
このボルト締付時においては、スタック積層方向に沿って、すなわち、エンドプレート９０間の距離が縮まる方向に圧縮荷重が加わり、これにより、単位燃料電池１０内及び単位燃料電池１０間の各積層面に、十分な接触による内部抵抗や接触抵抗の増大を抑制できるだけの面圧が生じる。
このとき、溝部２８，３０，３４，３５内の液状シールＳも潰れるが、各シール部位におけるシール圧縮量Δｈは、膜電極構造体１２の厚さｈMEAのばらつき，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきの有無に関係なく、一定化されている（図９）。
【００４４】
すなわち、図１０に示すように、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが基準厚さｈMEAに対してΔｈMEAだけ異なるときに、従来のように固形シールを用いた場合には、厚さｈMEAのばらつきΔｈMEAが、シール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまうのに対し、本実施形態のように液状シールＳを用いた場合には、仮組立時にばらつきΔｈMEAが吸収されるので、該ばらつきΔｈMEAがシール圧縮量Δｈ’に反映されことがなく、締め代が均一化される。
【００４５】
これにより、上記シール面圧を得る上で必要となる膜電極構造体１２の面荷重Ｆのしきい値と、基準厚さｈMEAを有する膜電極構造体１２の面荷重曲線（二点鎖線）及び前記基準厚さよりもΔｈMEAだけ厚さｈMEAの異なる膜電極構造体８の面荷重曲線（実線）との各交点間距離で示されるシール荷重Ｆｓ（破線）のばらつきΔＦｓ’を、固形シールを用いた場合のばらつきΔＦｓよりも大幅に小さくすることができる。
【００４６】
以上より、本実施の形態による単位燃料電池１０、及び燃料電池スタックの製造方法によれば、液状シールＳによる寸法誤差に対する追従性の良さから、シール部位に作用するシール面圧が均一化され、良好なシール性能を維持し得るようになるので、所望の発電性能を発揮できる単位燃料電池１０及び燃料電池スタックの製造が可能になる。
【００４７】
また、かかる追従性の良さから、膜電極構造体１２やカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の、とりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなくなるので、寸法精度管理が容易となり、大幅なコストダウンを図ることができる。
【００４８】
さらに、単位燃料電池１０間の面荷重が均一化されることによって、各セパレータ１４，１６を薄肉化することによる単位燃料電池１０、ひいては燃料電池スタックの小型化及び軽量化を図ることができるので、配置スペースの制約が厳しく、できる限り各セパレータ１４，１６を薄型化する必要のある車両用に特に好適な燃料電池スタックの製造が可能になる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得る。
（１）請求項１記載の発明によれば、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、膜電極構造体の厚さが面内方向においてばらつく場合や、膜電極構造体毎にばらつく場合であっても、そのばらつきの有無に拘わらず、シール圧縮量、すなわち、締め代が一定化された単位燃料電池を製造できる。
【００５０】
（２）請求項２記載の発明によれば、単位燃料電池を得る工程において、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れることにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収される結果、該工程を経て得た単位燃料電池を所定個数積層し、その積層方向に沿って圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとした際に、スタック全体を通じて各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代を均一化できるので、良好なシール性能を維持できるうえに、単位燃料電池間の面荷重も均一化し得て、車両用に特に好適な燃料電池スタックを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態により製造される単位燃料電池の分解斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、セパレータに液状シールを塗布している状態を示す図である。
【図４】 図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、膜電極構造体の両側を一対のセパレータで挟持して各組立を行っている状態を示す図である。
【図６】 図５の仮組立後に液状シールを硬化させることにより構成された単位燃料電池の要部拡大断面図である。
【図７】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、単位燃料電池の一方のセパレータに液状シールを塗布している状態を示す図である。
【図８】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、単位燃料電池を複数積層している状態を示す図である。
【図９】 図８の積層後にボルトを締め込み、エンドプレート間の距離を縮めることにより構成された燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１０】 膜電極構造体厚さのばらつきと、シール圧縮量及びシール荷重との関係を、本発明の一実施の形態により製造された燃料電池スタックと、一従来例に係る固形シールを用いた燃料電池スタックとを対比して示す図である。
【図１１】 同従来例に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１２】 同従来例に係る燃料電池スタックの膜電極構造体厚さのばらつきと、シール圧縮量及びシール荷重との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ 単位燃料電池
１２ 膜電極構造体
１４ カソード側セパレータ
１６ アノード側セパレータ
１８ 固体高分子電解質膜
１８ａ はみ出し部
２５ カソード電極
２７ アノード電極
２８ 溝部（はみ出し部に対応するセパレータ面）
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持して構成される膜電極構造体の更に外側を一対のセパレータで挟持してなる単位燃料電池の製造方法、及び該単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックの製造方法に係り、特に、膜電極構造体の厚さにばらつきがあってもそれに影響されることなく、シール部位における締め代を一定化し得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型の単位燃料電池は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設け、更にその外側を一対のセパレータによって挟持して構成されている。
そして、このような構成を有する単位燃料電池は、通常、所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
単位燃料電池の一例について、図１１の要部拡大断面図を用いて説明する。
この単位燃料電池１において、カソード電極２ａに対向配置されるカソード側セパレータ３ａの一方の面には酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路４が設けられている。
他方、アノード電極２ｂに対向配置されるアノード側セパレータ３ｂには、一方の面に燃料ガス（例えば、水素）の流路５が設けられると共に、他方の面に冷却媒体（例えば、水やエチレングリコール）の流路６が設けられている。
【０００４】
これら燃料ガス，酸化剤ガス（以下、これらを「反応ガス」と略記する場合がある。）及び冷却媒体は、各々独立した流路４〜６に通す必要があるため、各流路４〜６間を仕切るシール技術が重要となる。
シール部位としては、反応ガス及び冷却媒体を各単位燃料電池１に分配供給すべくセパレータ３ａ，３ｂに貫通形成された連通孔（図示略）の周囲，固体高分子電解質膜７とその両側に配設される電極２ａ，２ｂとから構成される膜電極構造体８の外縁，セパレータ３ａ，３ｂの冷媒流路面外縁，及びセパレータ３ａ，３ｂの表裏面の外縁等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、単位燃料電池１及び燃料電池スタックに関するシール技術としては、有機ゴム等の柔らかく適度に反発力のある固形シール９を用い、スタック積層方向（図１１では紙面上下方向）に荷重を負荷することにより、シール部位に配設された固形シール９を圧縮し、これにより生じた面圧によって上記シール部位をシールするものが知られている。
かかる技術において、固形シール９の締め代であるシール圧縮量Δｈは、以下の式で定義される。
【０００６】
Δｈ ＝Δｈ1＋Δｈ2 …（１）
Δｈ1＝ｈseal−ｈMEA …（２）
ｈseal：固形シール９のシール高さ
ｈMEA ：膜電極構造体８の厚さ
Δｈ2 ：荷重負荷時の膜電極構造体圧縮量
【０００７】
ここで、燃料電池スタックの各積層面においては、内部抵抗や接触抵抗の増大を抑えるため、単位燃料電池１内あるいは単位燃料電池１間で十分な接触が得られるだけの面圧が確保されている必要がある。
しかしながら、上記式（１），（２）より明らかなように、膜電極構造体８毎にその厚さｈMEAがばらつくと、このばらつきΔｈMEAは、締め代であるシール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまう。
【０００８】
図１２において、このシール圧縮量Δｈは、上記面圧を得る上で必要となる膜電極構造体８の面荷重Ｆのしきい値と、所定の厚さｈMEA（以下、「基準厚さ」という。）を有する膜電極構造体８の面荷重曲線（二点鎖線）及び前記基準厚さよりもΔｈMEAだけ厚さｈMEAの異なる膜電極構造体８の面荷重曲線（一点鎖線）との各交点間距離で表されるから、ばらつきΔｈMEAがシール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまうと、シール荷重Ｆｓ（破線）のばらつきΔＦｓも大きくなる。
【０００９】
また、同一の膜電極構造体８においても、その厚さｈMEAが面内方向でばらつくと、シール部位に作用する固形シール９からセパレータ３ａ，３ｂ及び膜電極構造体８に作用するシール面圧もばらつくため、シール性の悪化による発電性能の低下、及び単位燃料電池１間の面荷重がばらつくことによる曲げ変形を招く。この曲げ変形は、セパレータ３ａ，３ｂを厚くすれば阻止できるものの、燃料電池スタックの大型化及び重量化を招くため、例えば車載用には不向きとなる。
【００１０】
その他、単位燃料電池１及び燃料電池スタックに関するシール技術として、上記固形シール９に関する技術の他に、スタック積層方向に荷重を負荷した状態でシール部位に接着剤等を充填し、界面の接着力でシール部位をシールするものも知られている（例えば、特開平７−２４９４１７号）。
しかしながら、この接着シールに関する技術においては、界面接着力の耐久信頼性が厳しいという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜電極構造体の厚さにばらつきがあってもそれに影響されることなく、シール部位における締め代を一定化し得る単位燃料電池及び燃料電池スタックの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。
請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１８）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２５，アノード電極２７）で挟持した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体１２）の更に外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ１４，アノード側セパレータ１６）で挟持してなる単位燃料電池（例えば、実施の形態における単位燃料電池１０）の製造方法であって、前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部（例えば、実施の形態におけるはみ出し部１８ａ）、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面（例えば、実施の形態における溝部２８）のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させる工程（例えば、実施の形態における図３〜図６で示す工程）を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、そのままの状態で液状シールを固化させれば、膜電極構造体の厚さが面内方向においてばらつく場合や、膜電極構造体毎にばらつく場合であっても、そのばらつきの有無に拘わらず、各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代が一定化される。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１８）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極２５，アノード電極２７）で挟持した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体１２）の更に外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ１４，アノード側セパレータ１６）で挟持して構成される単位燃料電池（例えば、実施の形態における単位燃料電池１０）を複数個積層して燃料電池スタックとする燃料電池スタックの製造方法であって、前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部（例えば、実施の形態におけるはみ出し部１８ａ）、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面（例えば、実施の形態における溝部２８）のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させて単位燃料電池を得る工程（例えば、実施の形態における図３〜図６で示す工程）と、該工程を経て得られた所定個数の単位燃料電池を積層した後、その両端に配したエンドプレート（例えば、実施の形態におけるエンドプレート９０）間の距離を縮める方向に圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとする工程（例えば、実施の形態における図７〜図９で示す工程）とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、単位燃料電池を得る工程において、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、該工程を経て得た単位燃料電池を所定個数積層し、その積層方向に沿って圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとした際にも、スタック全体を通じて各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代が均一化される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る製造方法の一実施の形態により製造される単位燃料電池の分解斜視図である。
この単位燃料電池１０は、膜電極構造体１２と、これを挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備えてなり、これが複数組積層されることにより、例えば車両用の燃料電池スタックが構成される。
【００１７】
膜電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８を挟んで配設されるカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２とを有し、これらカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２の外側には、カソード側ガス拡散層２４及びアノード側ガス拡散層２６が配設されている。
そして、カソード側触媒層２０とカソード側ガス拡散層２４とでカソード電極２５が構成され、アノード側触媒層２２とアノード側ガス拡散層２６とでアノード電極２７が構成される。
【００１８】
固体高分子電解質膜１８には、これを挟んで配設されるカソード側触媒層２０及びアノード側触媒層２２の外周からはみ出す部分、すなわち、図１において二点鎖線よりも外側の部分が、はみ出し部１８ａとして設けられている。
このはみ出し部１８ａの両側（両面）には、カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の外縁部に塗布された液状シールＳが直接密着するようになっている。この液状シールＳについては後述する。
【００１９】
カソード側セパレータ１４は、その平面内であって外縁部に位置する横方向両端上部側に、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。
カソード側セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。
【００２０】
また、カソード側セパレータ１４の平面内であって外縁部に位置する横方向両端下部側には、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａ及び入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００２１】
カソード側セパレータ１４のカソード側触媒層２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して、各々独立した複数本の第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、複数本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。
【００２２】
カソード側セパレータ１４には、このカソード側セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記カソード側セパレータ１４を貫通して設けられている。
【００２３】
また、アノード側セパレータ１６の平面内であって外縁部に位置する横方向両端側には、カソード側セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
【００２４】
前記アノード側セパレータ１６の面１６ａには、図２に示すように、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して、各々が独立した複数本の第１燃料ガス流路溝６０が形成されている。
この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝（図示略）に合流してこの第２燃料ガス流路溝が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。
【００２５】
アノード側セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路（図示略）とが、前記アノード側セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００２６】
アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、後述の液状シールＳで囲まれる範囲内に、入口側冷却媒体連通孔４０ａ及び出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して、冷却媒体流路を構成する複数の主流路溝７２ａ，７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ，７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
【００２７】
アノード側セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記アノード側セパレータ１６を貫通して設けられている。
【００２８】
ここで、前記固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに対応する位置には、この固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側セパレータ１６のアノード側触媒層２２に対向する面１６ａに溝部（はみ出し部に対応するセパレータ面）２８が設けられており、この溝部２８に液状シールＳが塗布されている。
【００２９】
また、このアノード側セパレータ１６の面１６ａの入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３０が形成されており、この溝部３０にも液状シールＳが塗布されている。
【００３０】
さらに、前記アノード側セパレータ１６と共に膜電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４のカソード側触媒層２０に対向する面１４ａにも、前記アノード側セパレータ１６の面１６ａの溝部２８及び溝部３０に対応する位置に、溝部２８及び溝部３０が形成されており、各溝部２８，３０には液状シールＳが塗布されている。
【００３１】
したがって、図２に示すように、これら膜電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との溝部２８，３０に塗布された各液状シールＳが、溝部２８の液状シールＳにあっては、前記はみ出し部１８ａを両側から向かい合う位置で挟持して直接密着することで膜電極構造体１２の周囲をシールし、溝部３０の液状シールＳにあっては、互いに密着することで各連通孔３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂの周囲をシールするようになっている。
【００３２】
前記アノード側セパレータ１６の面１６ｂには、複数の燃料電池１０を積層した際に前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂに対向する位置であって、分岐流路溝７４の周囲を取り囲む溝部３４が設けられており、この溝部３４には液状シールＳが塗布されている。
【００３３】
また、このアノード側セパレータ１６の面１６ｂの入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲にも溝部３５が形成されており、この溝部３５にも液状シールＳが塗布されている。
【００３４】
ここで、前記入口側燃料ガス連通孔３６ａと出口側燃料ガス連通孔３６ｂとの周囲の溝部３５は、各々第１燃料ガス連結流路６４，第２燃料ガス連結流路（図示略）を囲むように形成されている。
また、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとの周囲の溝部３５は、前記カソード側セパレータ１４の面１４ｂの入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを囲むように設けられている。
【００３５】
そして、単位燃料電池１０を積層する際に、カソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとを重合すると、入口側燃料ガス連通孔３６ａ，入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ，入口側冷却媒体連通孔４０ａ，出口側冷却媒体連通孔４０ｂ，出口側燃料ガス連通孔３６ｂ及び出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの周囲と分岐流路溝７４の周囲において、アノード側セパレータ１６側の液状シールＳがカソード側セパレータ１４の面１４ｂに密着し、セパレータ１４，１６間の水密性が確保される。
【００３６】
液状シールＳは、例えば、熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンからなり、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化（固化）するものであり、その塗布後においては、前記溝部２８，３０，３４，３５内で潰れることにより、シール部位における寸法誤差、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAや，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきを吸収し、硬化後における荷重作用時の圧縮量を均一化できる材質が採用される。
【００３７】
次に、図３〜図９を用いて、上記構成からなる単位燃料電池１０の製造方法、及び該単位燃料電池１０を複数積層してなる燃料電池スタックの製造方法について、主たる工程を中心に説明する。
まず、上記構成からなるカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６を準備し、これらセパレータ１４，１６の各溝部２８，３０に液状シールＳを塗布する（図３）。
この液状シールＳは、塗布した状態の略円形断面形状が維持される（図４）。
【００３８】
次に、予め組立てられた膜電極構造体１２を準備し、該膜電極構造体１２をカソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間に配しつつ、これを押さえ治具８２，８２間に挟み込むようにしてセットする（図５）。
この図５において、符号８６は、膜電極構造体１２の外縁部を支持する支え治具であり、カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６に対する面内方向での位置決めを行うものである。
【００３９】
次いで、上下の押さえ治具８２を相対接近させることにより、膜電極構造体１２をカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６で挟持し、両セパレータ１４，１６の溝部２８に塗布された液状シールＳについては、互いに対向する位置において固体高分子電解質膜１８のはみ出し部１８ａに密着するように、また、溝部３０に塗布された液状シールＳについては、互いに密着するように、仮組立を行う。
【００４０】
この仮組立とは、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが、面内方向にて均一になる程度の低荷重を作用させた状態に組み立てるこという。
各液状シールＳは、この仮組立時に溝部２８，３０内で潰れ、シール部分における寸法誤差、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAのばらつき，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきを吸収する。
これにより、後述する単位燃料電池積層後のボルト９２による積層方向圧縮時においても、スタック全体を通じて、各シール部位における液状シールＳの圧縮量、すなわち、締め代が均一化されることになる。
【００４１】
次いで、膜電極構造体１２をカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６で挟持してなる仮組立体を、押さえ治具８２ごとオーブン等に入れて加熱し、上記低荷重を作用させたままの状態で、液状シールＳを硬化させる。
しかる後、この仮組立体から押さえ治具８２を外して放冷すると、上記構成を備えた単位燃料電池１０、すなわち、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが面内方向にばらつく場合であっても、液状シールＳの締め代が一定化された単位燃料電池１０が得られる（図６）。
【００４２】
次に、上記工程を経て得られた単位燃料電池１０のアノード側セパレータ１６の面１６ｂに形成された溝部３４，３５に液状シールＳを塗布し（図７）、この面１６ｂに、上記工程を経て得られた他の単位燃料電池１０のカソード側セパレータ１４の面１４ｂを重ねる、という手順を繰り返し行い、単位燃料電池１０をエンドプレート９０上に順次積層する（図８）。
そして、所定個数の単位燃料電池１０を積層したら、更にその外側にエンドプレート（図示略）を積層してボルト９２で締め付け、燃料電池スタックとする。
【００４３】
このボルト締付時においては、スタック積層方向に沿って、すなわち、エンドプレート９０間の距離が縮まる方向に圧縮荷重が加わり、これにより、単位燃料電池１０内及び単位燃料電池１０間の各積層面に、十分な接触による内部抵抗や接触抵抗の増大を抑制できるだけの面圧が生じる。
このとき、溝部２８，３０，３４，３５内の液状シールＳも潰れるが、各シール部位におけるシール圧縮量Δｈは、膜電極構造体１２の厚さｈMEAのばらつき，カソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の厚さのばらつきの有無に関係なく、一定化されている（図９）。
【００４４】
すなわち、図１０に示すように、膜電極構造体１２の厚さｈMEAが基準厚さｈMEAに対してΔｈMEAだけ異なるときに、従来のように固形シールを用いた場合には、厚さｈMEAのばらつきΔｈMEAが、シール圧縮量Δｈにそのまま反映されてしまうのに対し、本実施形態のように液状シールＳを用いた場合には、仮組立時にばらつきΔｈMEAが吸収されるので、該ばらつきΔｈMEAがシール圧縮量Δｈ’に反映されことがなく、締め代が均一化される。
【００４５】
これにより、上記シール面圧を得る上で必要となる膜電極構造体１２の面荷重Ｆのしきい値と、基準厚さｈMEAを有する膜電極構造体１２の面荷重曲線（二点鎖線）及び前記基準厚さよりもΔｈMEAだけ厚さｈMEAの異なる膜電極構造体８の面荷重曲線（実線）との各交点間距離で示されるシール荷重Ｆｓ（破線）のばらつきΔＦｓ’を、固形シールを用いた場合のばらつきΔＦｓよりも大幅に小さくすることができる。
【００４６】
以上より、本実施の形態による単位燃料電池１０、及び燃料電池スタックの製造方法によれば、液状シールＳによる寸法誤差に対する追従性の良さから、シール部位に作用するシール面圧が均一化され、良好なシール性能を維持し得るようになるので、所望の発電性能を発揮できる単位燃料電池１０及び燃料電池スタックの製造が可能になる。
【００４７】
また、かかる追従性の良さから、膜電極構造体１２やカソード側及びアノード側セパレータ１４，１６の、とりわけ厚さ方向での寸法管理を厳密に行なう必要がなくなるので、寸法精度管理が容易となり、大幅なコストダウンを図ることができる。
【００４８】
さらに、単位燃料電池１０間の面荷重が均一化されることによって、各セパレータ１４，１６を薄肉化することによる単位燃料電池１０、ひいては燃料電池スタックの小型化及び軽量化を図ることができるので、配置スペースの制約が厳しく、できる限り各セパレータ１４，１６を薄型化する必要のある車両用に特に好適な燃料電池スタックの製造が可能になる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得る。
（１）請求項１記載の発明によれば、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れ、これにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収されるので、膜電極構造体の厚さが面内方向においてばらつく場合や、膜電極構造体毎にばらつく場合であっても、そのばらつきの有無に拘わらず、シール圧縮量、すなわち、締め代が一定化された単位燃料電池を製造できる。
【００５０】
（２）請求項２記載の発明によれば、単位燃料電池を得る工程において、シール部位に塗布された略円形断面形状の液状シールが仮組立時に潰れることにより、電極構造体厚さのばらつきが吸収される結果、該工程を経て得た単位燃料電池を所定個数積層し、その積層方向に沿って圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとした際に、スタック全体を通じて各シール部位における液状シールの圧縮量、すなわち、締め代を均一化できるので、良好なシール性能を維持できるうえに、単位燃料電池間の面荷重も均一化し得て、車両用に特に好適な燃料電池スタックを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態により製造される単位燃料電池の分解斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、セパレータに液状シールを塗布している状態を示す図である。
【図４】 図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、膜電極構造体の両側を一対のセパレータで挟持して各組立を行っている状態を示す図である。
【図６】 図５の仮組立後に液状シールを硬化させることにより構成された単位燃料電池の要部拡大断面図である。
【図７】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、単位燃料電池の一方のセパレータに液状シールを塗布している状態を示す図である。
【図８】 本発明の一実施の形態による製造工程の一部、つまり、単位燃料電池を複数積層している状態を示す図である。
【図９】 図８の積層後にボルトを締め込み、エンドプレート間の距離を縮めることにより構成された燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１０】 膜電極構造体厚さのばらつきと、シール圧縮量及びシール荷重との関係を、本発明の一実施の形態により製造された燃料電池スタックと、一従来例に係る固形シールを用いた燃料電池スタックとを対比して示す図である。
【図１１】 同従来例に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図１２】 同従来例に係る燃料電池スタックの膜電極構造体厚さのばらつきと、シール圧縮量及びシール荷重との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ 単位燃料電池
１２ 膜電極構造体
１４ カソード側セパレータ
１６ アノード側セパレータ
１８ 固体高分子電解質膜
１８ａ はみ出し部
２５ カソード電極
２７ アノード電極
２８ 溝部（はみ出し部に対応するセパレータ面）
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体の更に外側を一対のセパレータで挟持してなる単位燃料電池の製造方法であって、
前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させる工程を備えることを特徴とする単位燃料電池の製造方法。 - 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体の更に外側を一対のセパレータで挟持して構成される単位燃料電池を複数個積層してなる燃料電池スタックの製造方法であって、
前記電極からはみ出した前記固体高分子電解質膜のはみ出し部、又は該はみ出し部に対応するセパレータ面のいずれか一方に略円形断面形状の液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で前記液状シールを固化させて単位燃料電池を得る工程と、
該工程を経て得られた所定個数の単位燃料電池を積層した後、その両端に配したエンドプレート間の距離を縮める方向に圧縮荷重を加えて固化した液状シールを潰し燃料電池スタックとする工程とを備えることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
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