JP5286896B2 - 燃料電池の製造方法、燃料電池、および、セパレータ - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の製造方法、燃料電池、および、セパレータに関する。
燃料電池は、例えば、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を含む単セル構成部材とセパレータとを交互に積層して構成される（下記特許文献１参照）。
しかしながら、上記燃料電池では、例えば、外力を受けたり、劣化等によって、積層ずれを起こし、それに伴い、隣接するセパレータ同士が、接触し、短絡するおそれがあった。このように、短絡が生じると、燃料電池の発電効率の低下など種々の不具合が生じるおそれがあった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制する技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。例えば、本発明の一形態は、セパレータが複数積層される燃料電池の製造方法であって、前記セパレータの少なくとも周縁部に、ラミネート用の樹脂で構成される短絡抑制材を配置する配置工程と、前記短絡抑制材を配置後、前記短絡抑制材を加熱させる加熱工程と、を備え、前記セパレータは、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート用の樹脂で構成されるラミネート板状部材とを備え、前記配置工程は、前記ラミネート板状部材の周縁部を折り曲げ、前記ラミネート板状部材で前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むことによって、前記ラミネート板状部材の一部で前記短絡抑制材を構成する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法である。その他、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することも可能である。
[適用例１]
セパレータが複数積層される燃料電池の製造方法であって、少なくとも、前記セパレータの周縁部に、ラミネート樹脂を配置する配置工程と、前記ラミネート樹脂を配置後、前記ラミネート樹脂を加熱させる加熱工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
セパレータが複数積層される燃料電池の製造方法であって、少なくとも、前記セパレータの周縁部に、ラミネート樹脂を配置する配置工程と、前記ラミネート樹脂を配置後、前記ラミネート樹脂を加熱させる加熱工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
上記製造方法で燃料電池を製造すれば、燃料電池において、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池の製造方法において、前記セパレータは、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成されるラミネート板状部材とを備え、前記配置工程は、前記ラミネート板状部材の周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
適用例１に記載の燃料電池の製造方法において、前記セパレータは、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成されるラミネート板状部材とを備え、前記配置工程は、前記ラミネート板状部材の周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
このようにすれば、部品点数を削減することができる。さらに、このようにすれば、ラミネート樹脂をセパレータの周縁部に容易に配置することができる。
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池の製造方法において、単セル構成部材を用意する工程と、前記セパレータと、単セル構成部材とを、一体化する工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
適用例１または適用例２に記載の燃料電池の製造方法において、単セル構成部材を用意する工程と、前記セパレータと、単セル構成部材とを、一体化する工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
このようにすれば、燃料電池の組み付け性を向上させるとともに、製造工程の削減を図ることができる。
[適用例４]
燃料電池であって、適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法で製造されたことを特徴とする燃料電池。
燃料電池であって、適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法で製造されたことを特徴とする燃料電池。
上記構成の燃料電池によれば、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
[適用例５]
燃料電池であって、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成されるラミネート板状部材と、を用いたセパレータであって、前記ラミネート板状部材の周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置されるセパレータを複数積層して成ることを要旨とする。
燃料電池であって、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成されるラミネート板状部材と、を用いたセパレータであって、前記ラミネート板状部材の周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置されるセパレータを複数積層して成ることを要旨とする。
上記構成の燃料電池によれば、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
[適用例６]
燃料電池であって、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成され、端面を除く周縁部が、露出しているラミネート板状部材と、が積層されるセパレータを複数積層して成ることを要旨とする。
燃料電池であって、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成され、端面を除く周縁部が、露出しているラミネート板状部材と、が積層されるセパレータを複数積層して成ることを要旨とする。
上記構成の燃料電池によれば、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
[適用例７]
セパレータであって、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成される板状部材であって、周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置されるラミネート板状部材と、を備えることを要旨とする。
セパレータであって、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成される板状部材であって、周縁部が、前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むように配置されるラミネート板状部材と、を備えることを要旨とする。
上記構成のセパレータによれば、複数積層した場合に、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
[適用例８]
セパレータであって、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成される板状部材であって、端面を除く周縁部が、露出しているラミネート板状部材と、備えることを要旨とする。
[適用例８]
セパレータであって、導電性板状部材と、ラミネート樹脂で構成される板状部材であって、端面を除く周縁部が、露出しているラミネート板状部材と、備えることを要旨とする。
上記構成のセパレータによれば、複数積層した場合に、セパレータ同士が接触して、短絡することを抑制することができる。
なお、本発明は、上記した燃料電池の製造方法に限ることなく、セパレータ、または、単セルアセンブリの製造方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、上記した燃料電池に限られず、単セルアセンブリなど、他の装置発明の態様で実現することも可能である。
以下、本発明に係る燃料電池、燃料電池の製造方法、および、単セルアセンブリについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．参考例：
Ａ１．燃料電池の構成
本発明の参考例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は、参考例における燃料電池１００の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００を構成する単セルアセンブリ２００の側面図である。図３は参考例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。なお、図２において、単セルアセンブリ２００は、離れて示されているが、実際には、隣接している。また、図２において、後述するラミネート樹脂７７７、シール部材７００、および、単セル構成部材８００が示されている。
Ａ１．燃料電池の構成
本発明の参考例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は、参考例における燃料電池１００の構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００を構成する単セルアセンブリ２００の側面図である。図３は参考例における燃料電池の製造ステップを示すフローチャートである。なお、図２において、単セルアセンブリ２００は、離れて示されているが、実際には、隣接している。また、図２において、後述するラミネート樹脂７７７、シール部材７００、および、単セル構成部材８００が示されている。
図１および図２に示すように、燃料電池１００は、単セルアセンブリ２００が複数個積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。図３に示すように、燃料電池１００は、単セルアセンブリ２００を所定枚数積層し（ステップＳ１０２）、積層された単セルアセンブリ２００を積層方向に所定の締結力を負荷するように締結する（ステップＳ１０４）ことにより、製造される。単セルアセンブリ２００を積層する方向を積層方向とも呼び、積層方向に垂直な方向であって、単セルアセンブリ２００に沿った方向を面方向とも呼ぶ。
図１に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１４０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給される。
図２に加えて、図４および図５を参照しながら、単セルアセンブリ２００の構成について説明する。図４は、単セルアセンブリ２００の正面図（図２における右側から見た図）を示す図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。なお、図５では、後述するラミネート樹脂７７７が示されている。
図２、図４、図５に示すように、単セルアセンブリ２００は、セパレータ６００と、単セル構成部材８００と、シール部材７００と、ラミネート樹脂７７７とから構成されている。
セパレータ６００は、アノードプレート３００と、カソードプレート４００と、中間プレート５００と、導電性多孔部材５５５と、から構成されている。
図６は、カソードプレート４００の形状を示す説明図である。図７は、アノードプレート３００の形状を示す説明図である。図８は、中間プレート５００の形状を説明図である。図６、図７、図８は、各プレート４００、３００、５００を図２の右側から見た様子を示している。図６〜図８において、各プレート３００、４００、５００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、単セルアセンブリ２００において、上述した単セル構成部材８００が配置される領域（以下、発電領域ＤＡという。）である。
図６に示すように、カソードプレート４００は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート４００は、６個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０は、発電領域ＤＡの端部（図６における上端部）に配置されている。酸化ガス排出スリット４４４は、発電領域ＤＡの端部（図６における下端部）に、並んで配置されている。
図７に示すように、アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート３００は、カソードプレート４００同様、６個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０と、燃料ガス排出スリット３５４と、を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの端部（図７における下端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならないように配置されている。燃料ガス排出スリット３５４は、発電領域ＤＡの端部（図７における上端部）に、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス供給スリット４４０と重ならないように配置されている。
図８に示すように、中間プレート５００は、上述の各プレート３００、４００とは異なり、ラミネート樹脂で形成されている。中間プレート５００は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための４つのマニホールド形成部５２２〜５２８と、供給流路形成部５４２、５４６および排出流路形成部５４４、５４８を備えている。中間プレート５００は、さらに、プレートの略中央に厚さ方向に貫通する貫通部として、冷却媒体が流れる冷媒流路形成部５５０と、冷媒流路形成部５５０に連通する冷媒供給スリット５５１および冷媒排出スリット５５２と、を備えている。これら、冷媒流路形成部５５０、冷媒供給スリット５５１、および、冷媒排出スリット５５２は、後述する冷却媒体流路６７０を形成する。マニホールド形成部５２２〜５２８は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。
導電性多孔部材５５５は、冷媒流路形成部５５０より一回り小さい多孔体であり、ステンレス鋼等の導電性材料で形成され、厚さが、中間プレート５００とほぼ同様である。導電性多孔部材５５５は、冷媒流路形成部５５０に配置され、３つのプレートを重ね合わせた際に、カソードプレート４００と、アノードプレート３００とを電気的に接続すると共に、冷却媒体が流れる流路となる。
反応ガスの供給流路形成部５４２、５４６と排出流路形成部５４４、５４８は、それぞれ対応するマニホールド形成部５２２〜５２８と一端が連通している。これらの流路形成部５４２〜５４８の他端は、３つのプレートを接合した際に、それぞれ対応するガス供給／排出スリット３５０、３５４、４４０、４４４と連通する。
図９は、セパレータの正面図である。セパレータ６００は、上述したアノードプレート３００およびカソードプレート４００を、中間プレート５００を挟持するように中間プレート５００の両側にそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。３枚のプレートを積層し、ホットプレスすることで、中間プレート５００とアノードプレート３００、および、中間プレート５００とカソードプレート４００とを接合する。この結果、図９においてハッチングで示す貫通部である６つのマニホールド１１０〜１６０と、酸化ガス供給流路６５０と、酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス供給流路６３０と、燃料ガス排出流路６４０と、冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
図２、図４、図５に戻って、単セルアセンブリ２００の説明を続ける。図２に示すように、上述したセパレータ６００のカソードプレート４００側の面における発電領域ＤＡに、単セル構成部材８００が配置され、同じ面における発電領域ＤＡの外側の領域（以下、周囲領域という。）にシール部材７００が配置されている。単セル構成部材８００は、図５に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）８１０と、ＭＥＡ８１０のアノード側の面に接して配置されたアノード側拡散層８２０と、ＭＥＡ８１０のカソード側の面に接して配置されたカソード側拡散層８３０と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０と、から構成されている。アノード側多孔体８４０は、ＭＥＡ８１０のアノード側にアノード側拡散層８２０を挟んで配置され、カソード側多孔体８５０は、ＭＥＡ８１０のカソード側にカソード側拡散層８３０を挟んで配置されている。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００の発電領域ＤＡに接触している。アノード側多孔体８４０は、複数の単セルアセンブリ２００を積層して燃料電池１００を構成した際に、他の単セルアセンブリ２００のセパレータ６００のアノードプレート３００側の面に接触する。
ＭＥＡ８１０は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜と、その両側の表面に塗布された触媒層とから構成されている。触媒層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含む層である。
アノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、上述したアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０より低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。
シール部材７００は、支持部７１０と支持部７１０の上部に形成されたリブ７２０とを備えている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーなどの弾性材料により形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
シール部材７００の支持部７１０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における上述した周囲領域に接触している（図２、図５）。シール部材７００の支持部７１０とセパレータ６００のカソードプレート４００側の面との接触面ＳＵ（図５：太線）は、所定の結合力で接着されている。ここで、「所定の結合力」とは、単セルアセンブリ２００が積層・締結されていない状態、すなわち、積層方向の負荷がかけられていない状態における結合力である。具体的には、接触面ＳＵの結合力は、シールラインの単位長さあたり０．０１Ｎ／ｍｍ（ニュートン毎ミリメートル）以上であることが好ましく、０．６Ｎ／ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
支持部７１０は、図４および図５において符号ＢＢで示すように、単セル構成部材８００の端部に含浸して一体化されている。これにより、単セル構成部材８００の端部において、ＭＥＡ８１０のカソード側からアノード側への、あるいは、アノード側からカソード側への反応ガスの漏洩が抑制される。
上述のように、単セル構成部材８００と、シール部材７００と、セパレータ６００とは、一体化されており、これらが一体となった一体化アセンブリを一体化アセンブリＩＡＹとも呼ぶ。
シール部材７００は、図２および図５に示すように、面方向において、セパレータ６００より面積が小さく形成されている。すなわち、セパレータ６００は、シール部材７００より面方向に突出している。
リブ７２０は、図４に示すように、単セル構成部材８００、各マニホールド１１０〜１６０を、それぞれ囲むように形成されている。リブ７２０は、単セルアセンブリ２００が積層され燃料電池１００を構成する際に、積層方向の締結力により、他の単セルアセンブリ２００のセパレータ６００のアノードプレート３００と気密に接触する。
ラミネート樹脂７７７は、図２、図５および図９に示すように、枠状に形成されセパレータ６００（カソードプレート４００またはアノードプレート３００）の周縁部に固着されている。ラミネート樹脂７７７としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、または、カプトンフィルムなどが用いられる。
Ａ２．燃料電池の動作
図１０を参照して、本参考例に係る燃料電池１００の動作について説明する。図１０は、燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図１０においては、２つの単セルアセンブリ２００が積層された様子を図示している。図１０（ａ）は、図９におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１０（ｂ）は、右側の半分が図９におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図９におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。
図１０を参照して、本参考例に係る燃料電池１００の動作について説明する。図１０は、燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図１０においては、２つの単セルアセンブリ２００が積層された様子を図示している。図１０（ａ）は、図９におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図１０（ｂ）は、右側の半分が図９におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図９におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図１０（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド１１０から酸化ガス供給流路６５０を通って、カソード側多孔体８５０に供給される。酸化ガス供給流路６５０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの供給流路形成部５４２（図８）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス供給スリット４４０（図６）によって形成される。カソード側多孔体８５０に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図４、９における上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出流路６６０を通って、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。酸化ガス排出流路６６０は、上述した中間プレート５００に形成された酸化ガスの排出流路形成部５４４（図８）とカソードプレート４００に形成された酸化ガス排出スリット４４４（図６）によって形成される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０の全体に亘って拡散し、カソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図１０（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１３０から燃料ガス供給流路６３０を通って、アノード側多孔体８４０に供給される。燃料ガス供給流路６３０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの供給流路形成部５４６（図８）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス供給スリット３５０（図７）によって形成される。アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図４、９における下方から上方に流動する。そして、燃料ガスは、燃料ガス排出流路６４０を通って、燃料ガス排出マニホールド１４０に排出される。燃料ガス排出流路６４０は、上述した中間プレート５００に形成された燃料ガスの排出流路形成部５４８（図８）とアノードプレート３００に形成された燃料ガス排出スリット３５４（図７）によって形成される。アノード側多孔体８４０を流動する酸化ガスの一部は、アノード側多孔体８４０に当接しているアノード側拡散層８２０の全体に亘って拡散し、アノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。
冷却媒体供給マニホールド１５０に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド１５０から冷却媒体流路６７０に供給される。冷却媒体流路６７０に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
以上のように、本参考例の燃料電池１００では、ラミネート樹脂７７７が、枠状に形成されセパレータ６００（カソードプレート４００またはアノードプレート３００）の周縁部に配置されている（図１０等）。このようにすれば、例えば、燃料電池１００が外力を受けたり、シール部材７００が劣化するなどの要因により、単セルアセンブリ２００が積層ずれを起こした場合等において、セパレータ６００同士が接近した場合であっても、セパレータ６００間に、ラミネート樹脂７７７が挟まれ、セパレータ６００同士が直接接触することを抑制することができる。その結果、セパレータ６００同士の接触に伴う短絡を抑制することができ、燃料電池１００の発電効率が低下することを抑制することができる。このようにラミネート樹脂７７７は、セパレータ６００の短絡抑制材として機能する。
また、単セルアセンブリ２００において、ＭＥＡ８１０、シール部材７００、および、セパレータ６００とは、一体に形成されているので、単セルアセンブリ２００を積層する際、組み付け性、または、ハンドリング性を向上させることができる。
Ａ３．単セルアセンブリの製造方法：
図１１、図１２、および、図１３を参照して、上述した構成を有する単セルアセンブリ２００の製造方法を説明する。図１１は、本参考例における単セルアセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。図１２および図１３は、単セルアセンブリの製造時における一工程を説明するための図である。
図１１、図１２、および、図１３を参照して、上述した構成を有する単セルアセンブリ２００の製造方法を説明する。図１１は、本参考例における単セルアセンブリの製造ステップを示すフローチャートである。図１２および図１３は、単セルアセンブリの製造時における一工程を説明するための図である。
先ず、一体化成型用の成形型を準備する（ステップＳ２０２）。成形型は、図１２（ａ）に示すように、上型９１０と下型９２０を有している。下型９２０には、図１２に示すように、セパレータ６００を配置できるように、セパレータ６００の外形に合致する形状を有している。また、下型９２０には、図１２に示すように、セパレータ６００を配置したときに、セパレータ６００の各マニホールド１１０〜１６０に嵌り込む突状部ＰＪが形成されている。上型９１０には、下型９２０の突状部ＰＪの上方に成形材料の投入口ＳＨが形成されている。
次いで、下型９２０に、セパレータ６００を配置する（ステップＳ２０４）。本参考例では、セパレータ６００は、アノードプレート３００側を下方に、カソードプレート４００側を上方にして、下型９２０に配置される。
次いで、下型９２０に配置されたセパレータ６００にカソード側多孔体８５０が配置される（ステップＳ２０６）。カソード側多孔体８５０は、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における発電領域ＤＡ（図６等）に配置される。
そして、配置されたカソード側多孔体８５０に重ねて、ＭＥＧＡ８６０が配置される（ステップＳ２０８）。ＭＥＧＡ８６０は、上述したＭＥＡ８１０の両面にアノード側拡散層８２０およびカソード側拡散層８３０を予めホットプレスによって接着して一体化したものである。
配置されたＭＥＧＡ８６０に重ねて、アノード側多孔体８４０が配置される（ステップＳ２１０）。
こうして、セパレータ６００の発電領域ＤＡに、単セル構成部材８００が全て配置されると、所定の型圧で型締めし、射出成形が行われ、単セル構成部材８００と、シール部材７００と、セパレータ６００とが一体化した一体化アセンブリＩＡＹが作製される（ステップＳ２１２）。
図１２（ｂ）には、下型９２０と上型９１０とが型締めされた状態が示されている。型締めされた状態において、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面における周囲領域（発電領域ＤＡの外側の領域）の上方には、上述した単セルアセンブリ２００のシール部材７００の形状を有する空間ＳＰが形成される。この空間ＳＰは、図１２（ｂ）に示すように、セパレータ６００のカソードプレート４００側の面と、上型９１０の内壁面と、単セル構成部材８００（アノード側多孔体８４０とＭＥＧＡ８６０とカソード側多孔体８５０）の端部とによって区画される。この空間ＳＰにおいて射出成形が行われる。具体的には、シール部材７００の成形材料としての液状ゴムが上述した投入口ＳＨから空間ＳＰに投入された後、加硫工程が行われる。
この射出成形において、成形材料が単セル構成部材８００の端部に含浸する（図４および図５の領域ＢＢ）ことにより、単セル構成部材８００とシール部材７００が一体化するように、成形材料の投入圧力が制御される。また、成形材料にシランカップリング剤を添加することにより、シール部材７００とセパレータ６００の接触面ＳＵ（図５）の結合力が確保される。射出成形後、型開きして一体化アセンブリＩＡＹが得られる。
そして、一体化アセンブリＩＡＹにおいて、セパレータ６００の周縁部に、枠状に形成されたラミネート樹脂７７７を配置する（ステップＳ２１４）。
その後、配置したラミネート樹脂７７７をホットプレスすることで、加熱する（ステップＳ２１６）。ラミネート樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、または、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などを用いる場合、加熱温度は、例えば、１２０℃〜１４０℃程度とする。こうして、セパレータ６００の周縁部に、ラミネート樹脂７７７が固着される。
以上のように、本参考例の燃料電池１００の製造方法によれば、短絡抑制材としてのラミネート樹脂７７７を、セパレータ６００の周縁部に配置後、加熱によってセパレータ６００に固着させるようにしている。このようにすれば、加熱前において、ラミネート樹脂７７７を配置する際、ラミネート樹脂７７７が意図する位置に対してずれていた場合など、位置合わせのリセットを容易に行うことができ、ラミネート樹脂７７７の組み付け性を向上させることができる。
また、本参考例の燃料電池１００の製造方法によれば、シール部材７００とセパレータ６００と単セル構成部材８００とが一体となった単セルアセンブリ２００を作製し、単セルアセンブリ２００を積層・締結することにより、燃料電池１００を製造するので、燃料電池１００の組み付け性を向上させるとともに、製造工程の削減を図ることができる。
なお、本参考例において、セパレータ６００は、特許請求の範囲におけるセパレータに該当し、ラミネート樹脂７７７は、特許請求の範囲におけるラミネート樹脂に該当し、アノードプレート３００またはカソードプレート４００は、特許請求の範囲における導電性板状部材に該当し、中間プレート５００は、特許請求の範囲におけるラミネート板状部材に該当し、単セル構成部材８００は、特許請求の範囲における単セル構成部材に該当する。
Ｂ．実施例：
本発明の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１４は、実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１４に示す実施例の単セルアセンブリ２００Ａにおいて、Ａ節で説明した参考例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。
本発明の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１４は、実施例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１４に示す実施例の単セルアセンブリ２００Ａにおいて、Ａ節で説明した参考例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。
本実施例の単セルアセンブリ２００Ａは、図１４に示すように、ラミネート樹脂７７７を備えておらず、中間プレート５００Ａの周縁部が、カソードプレート４００およびアノードプレート３００の周縁部より伸びて形成され、カソードプレート４００の周縁部を巻き込むように配置・固着されている。
この単セルアセンブリ２００Ａは、図１４に示すように、一体化アセンブリＩＡＹを作製後、中間プレート５００Ａの周縁部を折り曲げ、カソードプレート４００の周縁部を巻き込むように配置し、その巻き込み部分をホットプレスすることにより製造する。
以上のように、本実施例の単セルアセンブリ２００Ａでは、短絡抑制材として、ラミネート樹脂７７７の代わりに、中間プレート５００Ａの周縁部をカソードプレート４００の周縁部に巻き込むように配置している。このようにすれば、ラミネート樹脂７７７を新たに用いる必要が無いので、部品点数を削減することができる。また、セパレータ６００の周縁部に、綿密な位置合わせとしなくとも、短絡抑制材としてのラミネート樹脂を容易に配置することができる。
Ｃ．他の参考例：
本発明の他の参考例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１５は、他の参考例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１５に示す他の参考例の単セルアセンブリ２００Ｂにおいて、Ａ節で説明した参考例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。
本発明の他の参考例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１５は、他の参考例における単セルアセンブリの構成を示す説明図である。図１５に示す他の参考例の単セルアセンブリ２００Ｂにおいて、Ａ節で説明した参考例の単セルアセンブリ２００と同じ構成は、同様の符号を付しており、説明を省略している。
この参考例の単セルアセンブリ２００Ｂは、図１５に示すように、セパレータ６００において、カソードプレート４００は、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されている。従って、中間プレート５００は、積層方向に沿った端面を除く周縁部が、セパレータ６００の外部に露出するように構成されている。このようにすれば、セパレータ６００同士が接近し接触した場合であっても、一方のセパレータ６００のカソードプレート４００と、他方のセパレータ６００のアノードプレート３００とは、接触しにくく、一方のセパレータ６００の中間プレート５００と、他方のセパレータ６００のアノードプレート３００とが接触することになるので、セパレータ６００の接触に伴う短絡を抑制することができる。
Ｄ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
Ｄ１．変形例１：
上記実施例において、単セル構成部材８００と、セパレータ６００とは一体化されているが、本発明はこれに限られるものではなく、単セル構成部材８００とセパレータ６００とが一体化されていなくてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
上記実施例において、単セル構成部材８００と、セパレータ６００とは一体化されているが、本発明はこれに限られるものではなく、単セル構成部材８００とセパレータ６００とが一体化されていなくてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
Ｄ２．変形例２：
上記実施例において、カソードプレート４００が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、アノードプレート３００が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されていてもよく、また、アノードプレート３００およびカソードプレート４００の両方が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されていてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
上記実施例において、カソードプレート４００が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、アノードプレート３００が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されていてもよく、また、アノードプレート３００およびカソードプレート４００の両方が、面方向の面積が中間プレート５００より小さく形成されていてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
Ｄ３．変形例３：
上記実施例において、中間プレート５００の冷媒流路形成部５５０に配置する部材として、導電性多孔部材５５５を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性多孔部材５５５の代わりに、導電性の波板状部材を用いるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
上記実施例において、中間プレート５００の冷媒流路形成部５５０に配置する部材として、導電性多孔部材５５５を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電性多孔部材５５５の代わりに、導電性の波板状部材を用いるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
１００…燃料電池
１１０…マニホールド
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…単セルアセンブリ
２００Ａ…単セルアセンブリ
２００Ｂ…単セルアセンブリ
３００…アノードプレート
３００…プレート
３２２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
３５４…燃料ガス排出スリット
４００…カソードプレート
４００…プレート
４２２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２…マニホールド形成部
５４２…供給流路形成部
５４４…排出流路形成部
５４６…供給流路形成部
５４８…排出流路形成部
５５０…冷媒流路形成部
５５１…冷媒供給スリット
５５２…冷媒排出スリット
５５５…導電性多孔部材
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス供給流路
６４０…燃料ガス排出流路
６５０…酸化ガス供給流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
７７７…ラミネート樹脂
８００…単セル構成部材
８１０…ＭＥＡ
８２０…アノード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
９１０…上型
９２０…下型
ＤＡ…発電領域
ＢＢ…符号
ＢＢ…領域
ＳＨ…投入口
ＰＪ…突状部
ＳＰ…空間
ＳＵ…接触面
ＩＡＹ…一体化アセンブリ
１１０…マニホールド
１１０…酸化ガス供給マニホールド
１２０…酸化ガス排出マニホールド
１３０…燃料ガス供給マニホールド
１４０…燃料ガス排出マニホールド
１５０…冷却媒体供給マニホールド
１６０…冷却媒体排出マニホールド
２００…単セルアセンブリ
２００Ａ…単セルアセンブリ
２００Ｂ…単セルアセンブリ
３００…アノードプレート
３００…プレート
３２２…マニホールド形成部
３５０…燃料ガス供給スリット
３５４…燃料ガス排出スリット
４００…カソードプレート
４００…プレート
４２２…マニホールド形成部
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５２２…マニホールド形成部
５４２…供給流路形成部
５４４…排出流路形成部
５４６…供給流路形成部
５４８…排出流路形成部
５５０…冷媒流路形成部
５５１…冷媒供給スリット
５５２…冷媒排出スリット
５５５…導電性多孔部材
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス供給流路
６４０…燃料ガス排出流路
６５０…酸化ガス供給流路
６６０…酸化ガス排出流路
６７０…冷却媒体流路
７００…シール部材
７１０…支持部
７２０…リブ
７７７…ラミネート樹脂
８００…単セル構成部材
８１０…ＭＥＡ
８２０…アノード側拡散層
８３０…カソード側拡散層
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
９１０…上型
９２０…下型
ＤＡ…発電領域
ＢＢ…符号
ＢＢ…領域
ＳＨ…投入口
ＰＪ…突状部
ＳＰ…空間
ＳＵ…接触面
ＩＡＹ…一体化アセンブリ
Claims (5)
- セパレータが複数積層される燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータの少なくとも周縁部に、ラミネート用の樹脂で構成される短絡抑制材を配置する配置工程と、
前記短絡抑制材を配置後、前記短絡抑制材を加熱させる加熱工程と、
を備え、
前記セパレータは、少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート用の樹脂で構成されるラミネート板状部材とを備え、
前記配置工程は、
前記ラミネート板状部材の周縁部を折り曲げ、前記ラミネート板状部材で前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むことによって、前記ラミネート板状部材の一部で前記短絡抑制材を構成する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、
単セル構成部材を用意する工程と、
前記セパレータと、単セル構成部材とを、一体化する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 燃料電池であって、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法で製造されたことを特徴とする燃料電池。 - 燃料電池であって、
少なくとも、導電性板状部材と、ラミネート用の樹脂で構成されるラミネート板状部材と、を用いたセパレータであって、前記ラミネート板状部材の周縁部を折り曲げ、前記ラミネート板状部材で前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むことによって、当該セパレータの少なくとも周辺部に、前記ラミネート板状部材の一部で構成される短絡抑制材が配置されるセパレータを複数積層して成ることを特徴とする燃料電池。 - 燃料電池に用いられるセパレータであって、
導電性板状部材と、
ラミネート用の樹脂で構成されるラミネート板状部材であって、前記ラミネート板状部材の周縁部を折り曲げ、前記ラミネート板状部材で前記導電性板状部材の周縁部を巻き込むことによって、当該セパレータの少なくとも周辺部に、前記ラミネート板状部材の一部で構成される短絡抑制材を配置させるラミネート板状部材と
を備えることを特徴とするセパレータ。
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