JP6783695B2 - 燃料電池単セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池単セルの製造方法に関するものである。

特許文献１には、燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルが開示されている。単セルは、樹脂枠付きの膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２つのセパレータとを有する。セパレータの一方の面には、単セル内に反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、他方の面には単セル内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。また、セパレータの周縁部には、反応ガスの入口及び出口として機能する反応ガスマニホールド孔と、冷却媒体流路の入口及び出口として機能する冷却媒体マニホールド孔とが形成されている。なお、複数の単セルを積層して燃料電池スタックを形成する際、単セルの間を密封するために、セパレータと一体化され、セパレータの外周端部を周回するシール部材が設けられている。

特開２０１４−６３７２７号公報

しかしながら、従来技術では、各単セルのセパレータの外周端部に配置されたシール部材が積層方向において積み重なり、積層方向における燃料電池スタックの厚さが過度に増大するという問題があった。ここで、本発明の発明者は、セパレータに凹部を設け、当該凹部にシール部材（ガスケット）を配置することによって、積層方向における燃料電池スタックの厚さを凹部の深さ分だけ減少させ、燃料電池スタックの厚さの過度の増大を防止するという発想を生み出した。また、当該凹部によりセパレータの反応ガス流路と反応ガスマニホールド孔との間を流れる反応ガスが隔てられることを抑制するために、樹脂枠（フレーム部材）において当該凹部が通るライン上に、長さが当該凹部の底面の幅よりも大きなスリット状の貫通孔を設けることを試みた。ところが、上述したような燃料電池単セルを製造するにあたり、熱プレス時に樹脂枠に設けられた貫通孔がセパレータの凹部に押圧されると、押圧された部分が変形して貫通孔を塞いでしまい、単セルの性能の低下を引き起こす可能性があるという問題があることを見出した。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池単セルの製造方法が提供される。この燃料電池単セルの製造方法は、（ｉ）膜電極ガス拡散層接合体と前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合された樹脂製のフレーム部材とを有するＭＥＧＡプレートと、前記ＭＥＧＡプレートを挟持する２つのセパレータと、を準備する工程と、（ｉｉ）前記ＭＥＧＡプレートと前記２つのセパレータを積層して熱プレスすることによって前記燃料電池単セルを形成する工程と、を備える。前記フレーム部材は、前記２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の貫通孔と、を有し、前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、前記フレーム部材の前記貫通孔と交差するライン上の位置に、前記貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が前記貫通孔の長さよりも小さな凹部が形成されている。前記工程（ｉ）において、前記貫通孔には、前記凹部の前記底面に対応する位置に、前記貫通孔の幅を増大させる増幅部が設けられている。前記工程（ｉｉ）において、前記フレーム部材は、前記増幅部の位置において前記凹部の前記底面によって押圧される。
この形態の燃料電池単セルの製造方法によれば、フレーム部材の貫通孔において、セパレータの凹部の底面に対応する位置に増幅部が設けられているので、熱プレスする際に凹部の底面の押圧により貫通孔の周縁部分が過度に変形して貫通孔を塞ぐことを抑制できる。この結果、貫通孔の閉塞による単セルの性能低下を抑制できる。また、セパレータの凹部は、フレーム部材の貫通孔と交差するライン上の位置に形成されるとともに、貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が貫通孔の長さよりも小さいので、反応ガスが凹部に隔てられることなく、貫通孔を介してセパレータの反応ガス流路と反応ガスマニホールド孔との間を流れることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。

一実施形態における燃料電池単セルの各構成部材を示す説明図。 カソード側セパレータ側から見た平面図。 貫通孔付近の断面図。 貫通孔付近の拡大図。 セパレータとＭＥＧＡプレートの積層体を熱プレスする様子を示す図。 熱プレスした後の貫通孔付近の拡大図。 比較例における貫通孔の拡大図。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池単セル１４０の製造方法において準備する各部材を示す説明図である。燃料電池単セル１４０は、例えば固体高分子形燃料電池である。この燃料電池単セル１４０が複数積層された燃料電池スタックは、例えば動力源として燃料電池車両に搭載される。本明細書では、燃料電池単セル１４０の積層方向をＸ方向とし、水平方向をＺ方向とする。なお、積層方向Ｘと水平方向Ｚに垂直な方向は鉛直方向Ｙである。

燃料電池単セル１４０の製造方法は、まず、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）３２とＭＥＧＡ３２の周囲に接合されたフレーム部材３１とを有するＭＥＧＡプレート３０と、ＭＥＧＡプレート３０を挟持するカソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０とを準備する。

カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって構成され、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。フレーム部材３１は、樹脂製であり、接着性を有することが好ましい。この接着性により、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０がフレーム部材３１に接着される。

カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０のそれぞれの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、燃料ガス出口マニホールド孔６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。カソード側セパレータ４０のＭＥＧＡプレート３０側の面には、筋状の凹凸によって酸化剤ガス流路溝４２が形成されている。アノード側セパレータ５０の両面のうち、ＭＥＧＡプレート３０側の面には、筋状の凹凸によって燃料ガス流路溝５２が形成され、その反対側の面には、燃料ガス流路溝５２の裏側の位置に冷却媒体流路溝５４が形成されている。

燃料ガス入口マニホールド孔６２から供給された燃料ガスのうち、利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス流路溝５２を流れて、燃料ガス出口マニホールド孔６４によって集められる。また、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２から供給された酸化剤ガスのうち、利用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝４２を流れて、酸化剤ガス出口マニホールド孔７４によって集められる。さらに、冷却媒体入口マニホールド孔８２から供給された冷却媒体は、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体出口マニホールド孔８４によって集められる。

なお、カソード側セパレータ４０のＭＥＧＡプレート３０側の面には、各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４及び酸化剤ガス流路溝４２を囲むように、底面がフレーム部材３１と接する凹部９２が設けられている。アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡプレート３０側とは反対側の面には、各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４及び冷却媒体流路溝５４を囲むように、底面がフレーム部材３１と接する凹部９１が設けられている。本明細書では、セパレータ４０，５０における「凹部」とは、ＭＥＧＡプレート３０の表面に近付くように突出している部分のことをいう。また、凹部９１のＭＥＧＡプレート３０と反対側の面には、燃料電池単セル１４０の間を密封し、かつ、各反応ガス及び冷却媒体のそれぞれをシールするためのガスケット８１が配置される。なお、ガスケット８１は、カソード側セパレータ４０の凹部９２のＭＥＧＡプレート３０と反対側の面に配置してもよい。こうすれば、燃料電池単セル１４０が複数積層された燃料電池スタックの積層方向における厚さを凹部９１（又は凹部９２）の深さ分だけ減少することができ、燃料電池スタックの厚さの過度の増大を防止できる。

ＭＥＧＡプレート３０のフレーム部材３１は、２つのセパレータ４０，５０の各マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４に連通するマニホールド開口部６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａと、ＭＥＧＡ３２が配置される面内開口部３３と、を有する。また、マニホールド開口部６２ａと面内開口部３３との間には、スリット状の貫通孔３４が形成されており、同様に、マニホールド開口部６４ａと面内開口部３３との間には、スリット状の貫通孔３５が、マニホールド開口部７２ａと面内開口部３３との間には、スリット状の貫通孔３６が、マニホールド開口部７４ａと面内開口部３３との間には、スリット状の貫通孔３７がそれぞれ形成されている。貫通孔３４，３５は、燃料ガス用のマニホールド孔６２，６４と燃料ガス流路溝５２との間の燃料ガス流路の一部を構成する。貫通孔３６，３７は、酸化剤ガス用のマニホールド孔７２，７４と酸化剤ガス流路溝４２との間の酸化剤ガス流路の一部を構成する。

なお、各貫通孔３４〜３７としては、それぞれ複数の孔を設けてもよいし、１つの孔のみを設けてもよい。本明細書において、「スリット状」とは、長手方向と短手方向とを有する細長い形状を意味する。

図２は、カソード側セパレータ４０とＭＥＧＡプレート３０とアノード側セパレータ５０とが積層された状態で、カソード側セパレータ４０側から見た平面図である。図示の便宜上、各貫通孔３４〜３７を破線で示した。また、破線の矢印は、カソード側セパレータ４０の裏側の酸化剤ガス流路溝４２を流れる酸化剤ガスを示している。カソード側セパレータ４０の凹部９２は、酸化剤ガス用の貫通孔３６，３７のそれぞれと交差するライン上の位置に形成されている。なお、燃料ガス用の貫通孔３４，３５の位置では、凹部９２は貫通孔３４，３５を覆うように形成されている。こうすれば、凹部９２の底面によって貫通孔３４，３５を塞ぐことができるので、燃料ガスが酸化剤ガス流路溝４２に流れ込むことを防止できる。

図３は、図２に示す貫通孔３６の長手方向に沿って切った断面ＩＩＩの説明図である。カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂの幅Ｗｂは、貫通孔３６の長さＬｈよりも小さい。ここで、凹部９２の底面９２ｂの幅Ｗｂは、貫通孔３６の長手方向に沿って測った寸法を意味する。また、カソード側セパレータ４０のうち、凹部９２の両側に隣接する凸部４０ａ，４０ｂはそれぞれ、フレーム部材３１との間に隙間Ｇａ，Ｇｂが形成されるように構成されており、これらの隙間を酸化剤ガスが流れる。酸化剤ガス入口マニホールド孔７２から隙間Ｇａに流れてきた酸化剤ガスは、貫通孔３６の一端縁部と凹部９２の底面９２ｂの一端縁部との間に形成された隙間Ｇ１を通って、貫通孔３６に流れた後、貫通孔３６の他端縁部と凸部４０ｂとの間に形成された隙間Ｇ２を介して隙間Ｇｂに流れて、最終的に酸化剤ガス流路溝４２（図２）に流れる。

このように、凹部９２の底面９２ｂの幅Ｗｂが貫通孔３６の長さＬｈよりも小さいので、酸化剤ガスは、凹部９２に隔てられることなく、貫通孔３６を介して、酸化剤ガス入口マニホールド孔７２と酸化剤ガス流路溝４２との間を流れることができる。酸化剤ガス出口マニホールド孔７４（図２）に隣接して設けられた貫通孔３７についても同様である。なお、本明細書では、セパレータ４０，５０における「凸部」とは、前述した凹部よりＭＥＧＡプレート３０の表面から離れている部分を意味する。従って、通常は、凹部の周囲は凸部となっている。

図４は、図２に示す貫通孔３６付近の拡大図であり、熱プレスする前の状態を表している。図示の便宜上、フレーム部材３１のみが描かれており、カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂと接する部分を破線で示している。図４に示すように、貫通孔３６には、カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂに対応する位置に、貫通孔３６の幅を増大させる増幅部３６Ｃｕが設けられている。増幅部３６Ｃｕは、貫通孔３６の周縁部分３８が一部切り欠かれたように構成されている。セパレータ４０，５０とＭＥＧＡプレート３０の積層体（図２）を熱プレスする際、フレーム部材３１は、増幅部３６Ｃｕの位置において周縁部分３８が、カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂに押圧される。

図５は、セパレータ４０，５０とＭＥＧＡプレート３０の積層体を熱プレスする様子を示す図である。セパレータ４０，５０とＭＥＧＡプレート３０の積層体は、熱プレス治具２１０，２２０によって挟まれ、熱プレスされる。カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂは、熱プレス治具２１０によってフレーム部材３１に押圧される。アノード側セパレータ５０（図１）の凹部９１の底面についても同様に、熱プレス治具２２０によってフレーム部材３１に押圧される。この熱プレスによって、セパレータ４０，５０それぞれの凹部９２，９１がフレーム部材３１に接着される。これにより、燃料電池単セル１４０（図１）の製造が終了する。

図６は、熱プレスした後の貫通孔３６付近の拡大図である。貫通孔３６の周縁部分３８は、熱プレスによって貫通孔３６の幅を減少させるように貫通孔３６の内側に向かって変形する。ここで、予め増幅部３６Ｃｕが設けられていたので、周縁部分３８が過度に変形して貫通孔３６を塞ぐことを抑制できる。また、周縁部分３８が変形した後には、増幅部３６Ｃｕが凹部と凸部が交互に並ぶ形状に変形している。これにより、貫通孔３６の生成水の排水性を高めることができる。

なお、燃料ガス用の貫通孔３４，３５についても同様に、増幅部を設けることが好ましい。また、凹部９２及び貫通孔３６，３７と、凹部９１及び貫通孔３４，３５のどちらか一方を省略してもよい。この場合には、ガスケット８１は残りの一方の凹部に配置される。

図７は、比較例における貫通孔３６ａの拡大図であり、熱プレスする前と熱プレスした後の状態を表している。図示の便宜上、カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂと接する部分を破線で示している。比較例の貫通孔３６ａには、増幅部が設けられていない。熱プレスする際に、貫通孔３６ａの周縁部分３８ａが凹部９２の底面９２ｂに押圧される。熱プレスした後、貫通孔３６ａの周縁部分３８ａが変形し、貫通孔３６ａの内側に向かって突起３６Ｐｒを形成する。この結果、貫通孔３６ａが突起３６Ｐｒによって塞がれ、酸化剤ガスの流れが阻害されてしまう。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、フレーム部材３１の貫通孔３６において、カソード側セパレータ４０の凹部９２の底面９２ｂに対応する位置に増幅部３６Ｃｕが設けられているので、熱プレスする際に凹部９２の底面９２ｂの押圧により貫通孔３６の周縁部分３８が過度に変形して貫通孔３６を塞ぐことを抑制できる。この結果、貫通孔３６の閉塞による燃料電池単セル１４０の性能低下を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

３０…ＭＥＧＡプレート
３１…フレーム部材
３２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３３…面内開口部
３４〜３７…貫通孔
３６Ｃｕ…増幅部
３６Ｐｒ…突起
３６ａ…貫通孔
３８…周縁部分
３８ａ…周縁部分
４０…カソード側セパレータ
４０ａ…凸部
４０ｂ…凸部
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口マニホールド孔
６２ａ，６４ａ，７２ａ，７４ａ，８２ａ，８４ａ…マニホールド開口部
６４…燃料ガス出口マニホールド孔
７２…酸化剤ガス入口マニホールド孔
７４…酸化剤ガス出口マニホールド孔
８１…ガスケット
８２…冷却媒体入口マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
９１…凹部
９２…凹部
９２ｂ…底面
１４０…燃料電池単セル
２１０，２２０…熱プレス治具

Claims (1)

1. 燃料電池単セルの製造方法であって、
   （ｉ）膜電極ガス拡散層接合体と前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に接合された樹脂製のフレーム部材とを有するＭＥＧＡプレートと、前記ＭＥＧＡプレートを挟持する２つのセパレータと、を準備する工程と、
   （ｉｉ）前記ＭＥＧＡプレートと前記２つのセパレータを積層して熱プレスすることによって前記燃料電池単セルを形成する工程と、
   を備え、
   前記フレーム部材は、前記２つのセパレータに設けられたマニホールド孔に連通するマニホールド開口部と、前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される面内開口部と、前記マニホールド開口部と前記面内開口部との間に形成された反応ガス流路としてのスリット状の貫通孔と、を有し、
   前記２つのセパレータのうちの一方のセパレータには、平面視において、前記フレーム部材の前記貫通孔と交差するライン上の位置に、前記貫通孔の長手方向に沿って測った底面の幅が前記貫通孔の長さよりも小さな凹部が形成されており、
   前記工程（ｉ）において、前記貫通孔には、前記凹部の前記底面に対応する位置に、前記貫通孔の幅を増大させる増幅部が設けられており、
   前記工程（ｉｉ）において、前記フレーム部材は、前記増幅部の位置において前記凹部の前記底面によって押圧される、
   燃料電池単セルの製造方法。

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