JP6863301B2 - 燃料電池スタックの製造方法および燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、冷却水が流通する冷却水流路を有する燃料電池スタックの製造方法、および燃料電池スタックに関するものである。
固体高分子型の燃料電池の発電セルは、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟む構造の膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）と、膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えている。この発電セルでは、一方のセパレータと膜電極接合体との間のガス流路に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、他方のセパレータと膜電極接合体との間のガス流路に酸化ガス（例えば空気）が供給される。そして燃料電池スタックは、複数の発電セルが直列接続される態様で積層された構造になっている。
こうした燃料電池スタックを、その温度が高くなりすぎないように冷却することが実用されている。この燃料電池スタックでは、例えば隣り合う発電セルの間（一方の発電セルのセパレータと他方の発電セルのセパレータとに挟まれた部分）に冷却水の流路（セル間通路）が区画形成される。また燃料電池スタックの内部には、発電セルの積層方向において各発電セルのセパレータを貫通する態様で延びる２本の通路（冷却水導入路および冷却水排出路）が形成される。上記セル間通路は、冷却水導入路と冷却水排出路との間に並列に接続される。この燃料電池スタックは、周辺機器として、冷却水導入路への冷却水の供給と冷却水排出路からの冷却水の回収とを行う水供給装置を有している。そして、水供給装置が作動して燃料電池スタックの内部（冷却水導入路、冷却水排出路、および各セル間通路）に冷却水が流れる際に、冷却水と燃料電池スタックとの熱交換を通じて、同燃料電池スタックが冷却される。
ここで上記燃料電池スタックでは、その作動に際して、積層方向における一方側（燃料電池スタックのプラス出力端子側）の発電セルのセパレータと他方側（同マイナス出力端子側）の発電セルのセパレータとの間に電位差が生じる。そして、そうしたセパレータを積層方向において貫通するように冷却水導入路や冷却水排出路が形成されている。そのため、冷却水導入路（または冷却水排出路）の内部を流れる冷却水と上記電位差とによって、セパレータに電気的な腐食（いわゆる電食）が生じるおそれがある。
電食の発生は、各発電セルのセパレータの表面に絶縁性を有する材料からなる被覆層を形成することによって抑えることが可能になる。ただし各セパレータは金属板からなるとともに燃料電池スタックにおける発電回路の一部（詳しくは、隣り合う発電セルを接続する部分）をなしているため、それらセパレータの全面に被覆層を形成してしまうと、燃料電池スタックの発電機能が得られなくなってしまう。この点をふまえて特許文献１には、セパレータ表面に被覆層を形成する際に、同セパレータの表面を部分的にマスキングすることが開示されている。こうした形成方法を採用することにより、セパレータ表面における不要な部分（隣り合う発電セルを接続する部分）に被覆層が形成されなくなる。
上記燃料電池スタックの製造に際しては、セパレータ表面にマスキングを施した上で被覆層を形成した後に同マスキングを除去するといった煩雑な作業を、全ての発電セルのセパレータについて行う必要がある。こうした作業は、燃料電池スタックの生産性を低下させる要因になっている。
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性の向上を図ることのできる燃料電池スタックの製造方法、および同燃料電池スタックを提供することにある。
上記課題を解決するための燃料電池スタックの製造方法は、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有してなる燃料電池スタックの製造方法であって、前記冷却水として電着塗料粒子を含むものを用いつつ前記燃料電池スタックを運転して、前記セパレータにおいて高電位になる部位に電着塗料からなる被覆層を形成する。
上記課題を解決するための燃料電池スタックは、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有する燃料電池スタックにおいて、前記冷却水として電着塗料粒子を含むものを用いつつ前記燃料電池スタックを運転して、前記セパレータにおいて高電位になる部位に電着塗料からなる被覆層が形成されている。
上記燃料電池スタックの製造方法や燃料電池スタックによれば、積層方向における一方側の発電セルのセパレータと他方側の発電セルのセパレータとの間に生じる電位差や燃料電池スタックの発生熱を利用して、アニオン電着塗装により、燃料電池スタックの運転に際して高電位部位になるセパレータ、すなわち電食が生じるおそれのあるセパレータの表面に被覆層を形成することができる。これにより、全てのセパレータに対して個別にマスキングを施した上で被覆層を形成するといった煩雑な作業を行うことなく、電着塗料粒子を含む冷却水を用いて燃料電池スタックを運転するといった簡単な作業を通じて、電食が生じるおそれのあるセパレータの表面に被覆層を形成することができる。したがって、燃料電池スタックの生産性を向上させることができる。
上記課題を解決するための燃料電池スタックは、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有する燃料電池スタックにおいて、前記冷却水は電着塗料粒子を含んでいる。
上記燃料電池スタックによれば、積層方向における一方側の発電セルのセパレータと他方側の発電セルのセパレータとの間に生じる電位差や燃料電池スタックの発生熱を利用して、アニオン電着塗装により、燃料電池スタックの運転に際して高電位部位になるセパレータ、すなわち電食が生じるおそれのある各セパレータの表面に被覆層を形成することができる。これにより、燃料電池スタックおよびその周辺機器（冷却水を冷却水路に給排する水給排装置を含む）を組み立てたうえで、電着塗料粒子を添加した冷却水を用いて燃料電池スタックを運転することによって、電食が生じるおそれのあるセパレータの表面に被覆層を形成することができる。したがって、全てのセパレータに対して個別にマスキングを施した上で被覆層を形成するといった煩雑な作業を行うことなく、高い生産性で燃料電池スタックを製造することができる。
本発明によれば、燃料電池スタックの生産性の向上を図ることができる。
以下、燃料電池スタックの製造方法および同燃料電池スタックの一実施形態について説明する。
図１に示すように、車両１０には、駆動源としての電動モータ１１と、同電動モータ１１に電力を供給する燃料電池スタック３０とが搭載されている。燃料電池スタック３０は、固体高分子型の燃料電池の発電セルを複数（本実施形態では、４００個）有しており、それら発電セルが直列接続される態様で積層された構造になっている。車両１０には、燃料（本実施形態では、水素）が充填された燃料タンク１２と空気を濾過するフィルタ１３とが設けられている。そして、燃料電池スタック３０（詳しくは、各発電セル）には、燃料タンク１２から燃料ガス（水素ガス）が供給されるとともに、フィルタ１３を介して酸化剤ガス（空気）が供給される。燃料電池スタック３０は、それら燃料ガスおよび酸化剤ガスを利用して電力を発生する。
図１に示すように、車両１０には、駆動源としての電動モータ１１と、同電動モータ１１に電力を供給する燃料電池スタック３０とが搭載されている。燃料電池スタック３０は、固体高分子型の燃料電池の発電セルを複数（本実施形態では、４００個）有しており、それら発電セルが直列接続される態様で積層された構造になっている。車両１０には、燃料（本実施形態では、水素）が充填された燃料タンク１２と空気を濾過するフィルタ１３とが設けられている。そして、燃料電池スタック３０（詳しくは、各発電セル）には、燃料タンク１２から燃料ガス（水素ガス）が供給されるとともに、フィルタ１３を介して酸化剤ガス（空気）が供給される。燃料電池スタック３０は、それら燃料ガスおよび酸化剤ガスを利用して電力を発生する。
車両１０には、燃料電池スタック３０を冷却するための電池冷却系１４が設けられている。この電池冷却系１４は、燃料電池スタック３０の内部に区画形成されて冷却水が流通する内部水通路３１（冷却水導入路４３、冷却水排出路４４、およびセル間通路４５）や、同内部水通路３１への冷却水の給排を行う水給排装置２０などによって構成されている。
水給排装置２０は、ラジエータ２１や、外部水通路２２，２３、バイパス水路２４、ウォーターポンプ２５、サーモスタット弁２６などを有している。ラジエータ２１は、内部を通過する冷却水を外気との熱交換を通じて冷却するための熱交換器である。外部水通路２２は上記内部水通路３１（冷却水排出路４４）から流出する冷却水をラジエータ２１に導くための通路であり、外部水通路２３はラジエータ２１を通過した後の冷却水を内部水通路３１（冷却水導入路４３）に戻すための通路であり、バイパス水路２４はラジエータ２１を迂回するように各外部水通路２２，２３を連通する通路である。ウォーターポンプ２５は外部水通路２３に設けられており、このウォーターポンプ２５が作動することによって電池冷却系１４の内部に充填された冷却水が強制循環されるようになっている。サーモスタット弁２６は、当接する冷却水の温度に応じて開度が変化する三方弁であり、外部水通路２２とバイパス水路２４との接続部分に設けられている。サーモスタット弁２６の開度変化によって外部水通路２２およびバイパス水路２４の通路断面積が変更されて、ラジエータ２１への冷却水の流入量が調節されるようになっている。本実施形態では、こうしたサーモスタット弁２６の作動を通じて、冷却水の温度が所定温度（本実施形態では、摂氏８５度）になるように自動的に調節されるようになっている。
以下、燃料電池スタック３０の構造について詳しく説明する。
図２に示すように、燃料電池スタック３０の内部には、複数の発電セル５０が直列接続される態様で積層されている。燃料電池スタック３０は、それら発電セル５０を積層方向Ｄにおいて挟み込むように配置された一対のターミナルプレート３３，３４を有している。
図２に示すように、燃料電池スタック３０の内部には、複数の発電セル５０が直列接続される態様で積層されている。燃料電池スタック３０は、それら発電セル５０を積層方向Ｄにおいて挟み込むように配置された一対のターミナルプレート３３，３４を有している。
それらターミナルプレート３３，３４の一方（プラス側ターミナルプレート３３［図２の右側］）には、燃料電池スタック３０のプラス出力端子（図示略）が設けられており、積層方向Ｄにおける外方側（図２の右側）の面を覆うように絶縁材料からなるインシュレータ３５とプレッシャープレート３６とが取り付けられている。
また、一対のターミナルプレート３３，３４の他方（マイナス側ターミナルプレート３４［図２の左側］）には、燃料電池スタック３０のマイナス出力端子（図示略）が設けられており、積層方向Ｄにおける外方側（図２の左側）の面を覆うようにスタックマニホールド３７が取り付けられている。スタックマニホールド３７には、燃料ガスを給排する燃料ガス配管３７Ａと、酸化剤ガス（具体的には空気）を給排する酸化剤配管３７Ｂと、冷却水を給排する冷却水配管３７Ｃとが接続されている。このスタックマニホールド３７を介して、燃料電池スタック３０内部への燃料ガスの給排や、同燃料電池スタック３０内部への酸化剤ガスの給排、並びに内部水通路３１への冷却水の給排が行われる。
燃料電池スタック３０は、積層方向Ｄと直交する方向（図２の上下方向）において発電セル５０を挟む位置で同発電セル５０の外面に沿って延びる一対の接続プレート３８を有している。これら接続プレート３８の一方（図２の右側）の端部はプレッシャープレート３６にボルト締結固定されており、他方（図２の左側）の端部はスタックマニホールド３７にボルト締結固定されている。これにより燃料電池スタック３０は、複数の発電セル５０、ターミナルプレート３３，３４およびインシュレータ３５がプレッシャープレート３６とスタックマニホールド３７との間に挟持された構造になっている。
次に、発電セル５０の構造について詳しく説明する。
図３に示すように、発電セル５０は膜電極接合体５１を有している。この膜電極接合体５１は、固体高分子膜である電解質膜と、同電解質膜を挟む一対の電極と、それら電解質膜および電極を挟むカーボンシートからなる一対のガス拡散層とを備えた５層構造になっている。発電セル５０は、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０との間に平板形状のフレームプレート８０が挟まれた構造になっている。フレームプレート８０は、中央部分が上記膜電極接合体５１をなすとともにそれ以外の部分が絶縁体によって構成されている。
図３に示すように、発電セル５０は膜電極接合体５１を有している。この膜電極接合体５１は、固体高分子膜である電解質膜と、同電解質膜を挟む一対の電極と、それら電解質膜および電極を挟むカーボンシートからなる一対のガス拡散層とを備えた５層構造になっている。発電セル５０は、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０との間に平板形状のフレームプレート８０が挟まれた構造になっている。フレームプレート８０は、中央部分が上記膜電極接合体５１をなすとともにそれ以外の部分が絶縁体によって構成されている。
図３および図４に示すように、上流側セパレータ６０は、金属（ステンレス鋼）製の薄板状部材に対してプレス加工によって凹凸が付与されたものである。この凹凸は、発電セル５０の内部に燃料ガスを通過させる流路を区画したり、隣り合う発電セル５０の間に冷却水を流通させる流路（前記セル間通路４５［図１参照］）を区画したりする役割がある。本実施形態では、上流側セパレータ６０の大きさが平面視で「０．０６」平方メートル程度になっている。なお図４は、フレームプレート８０（図３参照）に対向する面が手前になる状態の上流側セパレータ６０を示している。
上流側セパレータ６０は貫通孔６１〜６６を有している。貫通孔６１は上流側セパレータ６０の長手方向（図４の左右方向）における一方の縁部の上方部分（図４の左上）に設けられて、各発電セル５０の内部に燃料ガスを分配して導入する燃料ガス導入路３９の一部を構成している。貫通孔６２は上流側セパレータ６０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図４の右下）に設けられて、各発電セル５０から燃料ガスを排出する燃料ガス排出路４０の一部を構成している。貫通孔６３は上流側セパレータ６０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図４の右上）に設けられて、各発電セル５０の内部に酸化剤ガスとしての空気を分配して導入する空気導入路４１の一部を構成している。貫通孔６４は上流側セパレータ６０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図４の左下）に設けられて、各発電セル５０から空気を排出する空気排出路４２の一部を構成している。貫通孔６５は上流側セパレータ６０の長手方向における一方（図４の左側）の縁部に設けられて、各発電セル５０のセル間通路４５に冷却水を分配して導入する冷却水導入路４３の一部を構成している。貫通孔６６は上流側セパレータ６０の長手方向における他方（図４の右側）の縁部に設けられて、セル間通路４５を通過した後の冷却水を合流させて排出する冷却水排出路４４の一部を構成している。なお、貫通孔６１，６２，６３，６４の周縁部分はフレームプレート８０から離間する方向（図４の紙面における奥側）に向けて窪んだ凹部６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａになっており、それら凹部６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａの底において各貫通孔６１，６２，６３，６４は開口している。また、上流側セパレータ６０の外縁部分は、フレームプレート８０から離間する方向に向けて窪んだ凹部６８になっている。
また、上流側セパレータ６０の長手方向における中央部分には、フレームプレート８０から離間する方向に向けて窪んだ凹部６７が形成されている。この凹部６７の形成範囲は、膜電極接合体５１に隣接する部分（図４中に破線で示す部分）を含んでいる。発電セル５０（図３）の内部では、上流側セパレータ６０と上記フレームプレート８０とが密着している。これにより、上流側セパレータ６０とフレームプレート８０との間には、凹部６７によって、燃料ガスが通過する流路の一部になる空間が区画形成されている。なお、上記凹部６７の底壁は凹凸（図示略）を有する形状になっている。
図３および図５に示すように、フレームプレート８０は貫通孔８１〜８６を有している。これら貫通孔８１〜８６は、上流側セパレータ６０の貫通孔６１〜６６に対応する位置に設けられて、各流体流路（燃料ガス導入路３９、燃料ガス排出路４０、空気導入路４１、空気排出路４２、冷却水導入路４３、および冷却水排出路４４）の一部を構成している。発電セル５０の内部では、それら貫通孔８１〜８６の周縁において、フレームプレート８０と上流側セパレータ６０（図３）とが密着している。これにより、フレームプレート８０と上流側セパレータ６０との対向面間において、燃料ガス導入路３９や、燃料ガス排出路４０、空気導入路４１、空気排出路４２、冷却水導入路４３、冷却水排出路４４がその外部に対してシールされている。
ただし、図３および図５に示すように、フレームプレート８０には、上流側セパレータ６０の貫通孔６１（詳しくは、凹部６１Ａ）に隣接する位置から凹部６７に隣接する位置まで延びる長孔８１Ａが複数（本実施形態では５本）形成されている。これら長孔８１Ａは、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０（図１参照）との間において、燃料ガス導入路３９（詳しくは、貫通孔６１）と凹部６７の内部とを連通する隙間になる。
また、フレームプレート８０には、上流側セパレータ６０の貫通孔６２（詳しくは、凹部６２Ａ）に隣接する位置から凹部６７に隣接する位置まで延びる長孔８２Ａが複数（同５本）形成されている。これら長孔８２Ａは、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０との間において、燃料ガス排出路４０（詳しくは、貫通孔６２）と凹部６７の内部とを連通する隙間になる。
そして、図３中に白抜きの矢印で示すように、燃料電池スタック３０の内部では、燃料ガスが「燃料ガス導入路３９→長孔８１Ａ→凹部６７の内部→長孔８２Ａ→燃料ガス排出路４０」といった順に流れるようになる。
下流側セパレータ７０は、上流側セパレータ６０と基本構造が同一である。そのため以下での下流側セパレータ７０の構造についての詳しい説明は省略する。なお図３の下流側セパレータ７０は、フレームプレート８０に対向する面が奥側になる状態の下流側セパレータ７０を示している。
下流側セパレータ７０は、発電セル５０の内部に空気を通過させる流路を区画したり、前記セル間通路４５を区画したりする役割がある。
下流側セパレータ７０は貫通孔７１〜７６を有している。貫通孔７１は下流側セパレータ７０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図３の左上）に設けられて、前記燃料ガス導入路３９の一部を構成している。貫通孔７２は下流側セパレータ７０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図３の右下）に設けられて、前記燃料ガス排出路４０の一部を構成している。貫通孔７３は下流側セパレータ７０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図３の右上）に設けられて、前記空気導入路４１の一部を構成している。貫通孔７４は下流側セパレータ７０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図３の左下）に設けられて、前記空気排出路４２の一部を構成している。貫通孔７５は下流側セパレータ７０の長手方向における一方（図３の左側）の縁部に設けられて、前記冷却水導入路４３の一部を構成している。貫通孔７６は下流側セパレータ７０の長手方向における他方（図３の右側）の縁部に設けられて、前記冷却水排出路４４の一部を構成している。
下流側セパレータ７０は貫通孔７１〜７６を有している。貫通孔７１は下流側セパレータ７０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図３の左上）に設けられて、前記燃料ガス導入路３９の一部を構成している。貫通孔７２は下流側セパレータ７０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図３の右下）に設けられて、前記燃料ガス排出路４０の一部を構成している。貫通孔７３は下流側セパレータ７０の長手方向における一方の縁部の上方部分（図３の右上）に設けられて、前記空気導入路４１の一部を構成している。貫通孔７４は下流側セパレータ７０の長手方向における他方の縁部の下方部分（図３の左下）に設けられて、前記空気排出路４２の一部を構成している。貫通孔７５は下流側セパレータ７０の長手方向における一方（図３の左側）の縁部に設けられて、前記冷却水導入路４３の一部を構成している。貫通孔７６は下流側セパレータ７０の長手方向における他方（図３の右側）の縁部に設けられて、前記冷却水排出路４４の一部を構成している。
なお、貫通孔７１，７２，７３，７４の周縁部分はフレームプレート８０から離間する方向に向けて窪んだ凹部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａ，７４Ａになっており、それら凹部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａ，７４Ａの底において各貫通孔７１，７２，７３，７４は開口している。また下流側セパレータ７０の外縁部分は、フレームプレート８０から離間する方向に向けて窪んだ凹部７８になっている。
下流側セパレータ７０の長手方向における中央部分の凹部７７の形成範囲は、膜電極接合体５１に隣接する部分（図４中の破線参照）を含んでいる。発電セル５０の内部では、下流側セパレータ７０と上記フレームプレート８０とが密着している。これにより、下流側セパレータ７０とフレームプレート８０との間には、凹部７７によって、空気が通過する流路の一部になる空間が区画形成されている。
また発電セル５０の内部では、フレームプレート８０の各貫通孔８１〜８６の周縁において、同フレームプレート８０と下流側セパレータ７０とが密着している。これにより、フレームプレート８０と下流側セパレータ７０との対向面間において、燃料ガス導入路３９や、燃料ガス排出路４０、空気導入路４１、空気排出路４２、冷却水導入路４３、冷却水排出路４４がその外部に対してシールされている。
ただし、図３および図５に示すように、フレームプレート８０には、下流側セパレータ７０の貫通孔７３（詳しくは、凹部７３Ａ）に隣接する位置から凹部７７に隣接する位置まで延びる長孔８３Ａが複数（本実施形態では５本）形成されている。これら長孔８３Ａは、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０との間において、空気導入路４１（詳しくは、貫通孔７３）と凹部７７の内部とを連通する隙間になる。
また、フレームプレート８０には、下流側セパレータ７０の貫通孔７４（詳しくは、凹部７４Ａ）に隣接する位置から凹部７７に隣接する位置まで延びる長孔８４Ａが複数（同５本）形成されている。これら長孔８４Ａは、上流側セパレータ６０と下流側セパレータ７０との間において、空気排出路４２（詳しくは、貫通孔７４）と凹部７７の内部とを連通する隙間になる。
そして図３中に斜線の矢印で示すように、燃料電池スタック３０の内部では、空気が「空気導入路４１→長孔８３Ａ→凹部７７の内部→長孔８４Ａ→空気排出路４２」といった順に流れるようになる。
図６に概略的に示すように、燃料電池スタック３０は複数の発電セル５０が積層された構造であり、同燃料電池スタック３０内部において隣り合う発電セル５０の間には前記セル間通路４５が区画形成されている。
具体的には、燃料電池スタック３０が組み立てられた状態では、隣り合う発電セル５０のうちの一方の上流側セパレータ６０の外縁部分（詳しくは、凹部６８の底壁）と、他方の下流側セパレータ７０の外縁部分（詳しくは、凹部７８の底壁）とが密着した状態になる。これにより、一方の発電セル５０の上流側セパレータ６０外面と他方の発電セル５０の下流側セパレータ７０外面とによりセル間通路４５が区画形成されている。
また、上流側セパレータ６０の貫通孔６５，６６の周縁や下流側セパレータ７０の貫通孔７５，７６の周縁においては、フレームプレート８０から離間する方向に窪む凹部が形成されておらず、それらセパレータ６０，７０の外面同士が離間している。そのため、上流側セパレータ６０の貫通孔６５，６６や下流側セパレータ７０の貫通孔７５，７６は、それらセパレータ６０，７０の間のセル間通路４５に対して開口（連通）した状態になっている。このようにセル間通路４５は、冷却水導入路４３（貫通孔６５，７５）と冷却水排出路４４（貫通孔６６，７６）とに各別に連通されている。
なお、燃料電池スタック３０が組み立てられた状態では、隣り合う発電セル５０のうちの一方の上流側セパレータ６０の貫通孔６１〜６４の周縁全周（詳しくは、凹部６１Ａ〜６４Ａの底壁）と、他方の下流側セパレータ７０の貫通孔７１〜７４の周縁全周（詳しくは、凹部７１Ａ〜７４Ａの底壁）とが密着した状態になる。そのため、上流側セパレータ６０の貫通孔６１〜６４や下流側セパレータ７０の貫通孔７１〜７４は、それらセパレータ６０，７０の間のセル間通路４５に対して開口（連通）していない。
そして、図３中にドットハッチングの矢印で示し、図６中に矢印で示すように、燃料電池スタック３０の内部では、冷却水が「冷却水導入路４３→セパレータ６０，７０間のセル間通路４５→冷却水排出路４４」といった順に流れるようになる。
ここで、車両１０の組み立てに際しては、同車両１０への燃料電池スタック３０および水給排装置２０の組み付けが完了した後に、電池冷却系１４の内部への冷却水の注入が行われる。
本実施形態では、このときに電池冷却系１４内に注入する冷却水として、エチレングリコールを主成分とするものであって、電着塗料粒子を含むものを採用している。この電着塗料粒子は、詳しくは、冷却水中において負（マイナス）の電荷を持つもの（いわゆるアニオン電着塗料）であり、且つ、燃料電池スタック３０の発生熱（運転熱）によって適正に固化するものである。本実施形態では、電着塗料粒子として、電池冷却系１４における冷却水の目標温度（摂氏８５度）よりも低い温度（例えば、摂氏８０度）で固化するものが採用されている。また本実施形態では、電池冷却系１４内に注入する冷却水の電着塗料粒子の濃度が「０．５％」程度になっている。具体的には、電池冷却系１４に対する正規の注入量である「２０リットル」の冷却水に対して「１００グラム」程度の電着塗料粒子が含まれている。
以下、こうした冷却水を採用することによる作用について説明する。
本実施形態では、冷却水を電着塗料の水溶液とし、内部水通路３１（特に冷却水導入路４３や冷却水排出路４４）を水溶液が満たされる容器とし、上流側セパレータ６０や下流側セパレータ７０のいずれかを陽極（被塗装物）および陰極とするアニオン電着塗装によって、それらセパレータ６０，７０の表面に電着塗料の層（被覆層９０）が形成される。
本実施形態では、冷却水を電着塗料の水溶液とし、内部水通路３１（特に冷却水導入路４３や冷却水排出路４４）を水溶液が満たされる容器とし、上流側セパレータ６０や下流側セパレータ７０のいずれかを陽極（被塗装物）および陰極とするアニオン電着塗装によって、それらセパレータ６０，７０の表面に電着塗料の層（被覆層９０）が形成される。
詳しくは、図６に示すように、燃料電池スタック３０の内部に区画形成される冷却水導入路４３と冷却水排出路４４とがそれぞれ、全ての発電セル５０の上流側セパレータ６０および下流側セパレータ７０を貫通する態様で積層方向Ｄにおいて延びる一本の通路になっている。そして、それら冷却水導入路４３や冷却水排出路４４の内部には冷却水が満たされている。そのため、冷却水導入路４３の内部や冷却水排出路４４の内部が、アニオン電着塗装における電着塗料の水溶液が溜まる容器として機能する。
また、燃料電池スタック３０の運転時には、積層方向Ｄにおける上記プラス側ターミナルプレート３３（図２参照）側の発電セル５０のセパレータ６０，７０の電位は高くなり、マイナス側ターミナルプレート３４側の発電セル５０のセパレータ６０，７０の電位は低くなる。そして、これらセパレータ６０，７０は、冷却水導入路４３の内部や冷却水排出路４４の内部に浸かった状態になっている。そのため、プラス側ターミナルプレート３３側の発電セル５０のセパレータ６０，７０がアニオン電着塗装における陽極（被塗装物）になり、マイナス側ターミナルプレート３４側の発電セル５０のセパレータ６０，７０がアニオン電着塗装における陰極になる。
さらに、燃料電池スタック３０の発生熱によって、各セパレータ６０，７０の温度や冷却水の温度は周囲温度よりも高くなる。そして、こうした燃料電池スタック３０の発生熱は、アニオン電着塗装によってセパレータ６０，７０の表面に付着した電着塗料を固化させる熱として作用するようになる。
本実施形態によれば、上記プラス側ターミナルプレート３３側の発電セル５０のセパレータ６０，７０と上記マイナス側ターミナルプレート３４側の発電セル５０のセパレータ６０，７０との間に生じる電位差や燃料電池スタック３０の発生熱を利用して、アニオン電着塗装により、セパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。これにより、電着塗料粒子を含む冷却水を用いて燃料電池スタック３０を運転するといった簡単な作業を通じて、燃料電池スタック３０の運転に際して高電位になるセパレータ６０，７０、すなわち電食が生じるおそれのあるセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。
図７および図８に、セパレータ６０，７０の表面に形成される被覆層９０の一例を示す。なお図７（ａ）は燃料電池スタック３０における冷却水導入路４３およびその周辺の断面構造を概略的に示しており、図７（ｂ）は燃料電池スタック３０における冷却水排出路４４およびその周辺の断面構造を概略的に示している。また、図８（ａ）は各セパレータ６０（または７０）の貫通孔６５（または７５）およびその周辺の平面構造を示しており、図８（ｂ）は各セパレータ６０（または７０）の貫通孔６６（または７６）およびその周辺の平面構造を示している。図７および図８では、理解を容易にするために、被覆層９０の厚さを実際の厚さ（本実施形態では、数十マイクロメートル）よりも誇張して示している。
図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、被覆層９０は、各セパレータ６０，７０の貫通孔６５，６６，７５，７６の内縁部分のうちの上記フレームプレート８０に接していない側の部分に形成される。なお、貫通孔６５，６６，７５，７６の内縁部分のうちの上記フレームプレート８０に接している側の部分には、同フレームプレート８０が密着しており冷却水が殆ど侵入しないために、被覆層９０は形成されない。
ここで仮に、全て（本実施形態では、８００枚）のセパレータ６０，７０に対して個別にマスキングを施した上で電食の発生を抑えるための被覆層９０を形成するようにすると、その作業に非常に手間がかかってしまい、燃料電池スタック３０の生産性が悪くなってしまう。
この点、本実施形態では、被覆層９０の形成のための作業として、そうした手間のかかる作業を行う必要がなく、車両１０（燃料電池スタック３０および周辺機器）を組み立てたうえで燃料電池スタック３０を運転するといった作業を行うだけでよいため、格段に短い作業時間で多数のセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。したがって、燃料電池スタック３０の生産性を向上させることができる。
しかも電着塗装は、スプレー塗装と比較して、均一な厚さの塗膜を形成することが可能である。本実施形態では、そうした電着塗装によってセパレータ６０，７０表面に被覆層９０が形成されるため、比較的薄い被覆層９０でセパレータ６０，７０表面を適正に保護することができるようになる。したがって、スプレー塗装で被覆層を形成する場合と比較して、被覆層９０の形成に用いる塗料（電着塗料）の使用量を少なく抑えることができる。
また本実施形態では、アニオン電着塗装の特性上、燃料電池スタック３０の運転時における電位が比較的高いプラス出力端子側のセパレータ６０，７０（図２中に「ＡＲ１」で示す範囲に配置される発電セル５０のセパレータ６０，７０［本実施形態では、７８０枚］）には被覆層９０が形成される。これに対して、燃料電池スタック３０の運転時における電位が低いマイナス出力端子側のセパレータ６０，７０（図２中に「ＡＲ２」で示す範囲に配置される発電セル５０のセパレータ６０，７０［同２０枚］）には被覆層９０が形成されない。
このように本実施形態によれば、燃料電池スタック３０の運転に際して高電位になることから電食のおそれのあるセパレータ６０，７０の表面には被覆層９０を的確に形成することができるため、燃料電池スタック３０における電食の発生を適正に抑えることができる。しかも、燃料電池スタック３０の運転時において低電位であることから電食が生じないセパレータ６０，７０の表面には被覆層９０が形成されないため、燃料電池スタック３０における電食の発生を抑える機能を確保しつつ、全てのセパレータ６０，７０に同一の被覆層９０を形成する場合と比較して、電着塗料の使用量を低減することができる。
以下、燃料電池スタック３０を製造する手順について説明する。
先ず、プレス加工によって上流側セパレータ６０および下流側セパレータ７０が形成される。その後、上流側セパレータ６０の凹部６７の内面と下流側セパレータ７０の凹部７７の内面とに接触抵抗を小さくするための表面処理が施される。この表面処理では、各セパレータ６０，７０の凹部６７，７７の内面に導電材料（例えばカーボンなど）からなる導電層が形成される。
先ず、プレス加工によって上流側セパレータ６０および下流側セパレータ７０が形成される。その後、上流側セパレータ６０の凹部６７の内面と下流側セパレータ７０の凹部７７の内面とに接触抵抗を小さくするための表面処理が施される。この表面処理では、各セパレータ６０，７０の凹部６７，７７の内面に導電材料（例えばカーボンなど）からなる導電層が形成される。
その後、上流側セパレータ６０と、下流側セパレータ７０と、別途形成されたフレームプレート８０とによって発電セル５０が組み立てられる。さらに複数の発電セル５０、ターミナルプレート３３，３４、インシュレータ３５、プレッシャープレート３６、スタックマニホールド３７、および接続プレート３８によって燃料電池スタック３０が組み立てられる。
その後、この燃料電池スタック３０が車両１０に搭載される。このとき燃料電池スタック３０の内部水通路３１が水給排装置２０の外部水通路２２，２３に接続される。そして、電池冷却系１４の内部に冷却水が注入される。
本実施形態では、このようにして組み立てられた車両１０が運転されると、セパレータ６０，７０の表面に被覆層９０が形成される。詳しくは、車両１０が運転されると、ウォーターポンプ２５が作動して電池冷却系１４内部の冷却水の流路（冷却水導入路４３および冷却水排出路４４を含む）を冷却水が流通（循環）するようになる。そして、このときアニオン電着塗装により、高電位になるセパレータ６０，７０の表面に冷却水中の電着塗料粒子が付着して塗膜を形成するようになる。さらに、その後において発電セル５０の発生熱によって燃料電池スタック３０の温度や電池冷却系１４内の冷却水の温度が上昇すると、各セパレータ６０，７０の表面に付着した電着塗料粒子が固化して被覆層９０になる。このようにして、セパレータ６０，７０の表面に被覆層９０が形成される。
なお本実施形態の車両１０では、その運転を通じてセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成した後においても、電池冷却系１４内の冷却水が交換されることなく継続して使用される。したがって本実施形態では、車両１０の組み立て工程において特段の作業をせずとも、車両１０を組み立てた後に同車両１０を運転するといった通常の作業を通じて各セパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）電着塗料粒子を含む冷却水を用いて燃料電池スタック３０を運転するといった簡単な作業を通じて、電食が生じるおそれのあるセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。そのため、燃料電池スタック３０の生産性を向上させることができる。
（１）電着塗料粒子を含む冷却水を用いて燃料電池スタック３０を運転するといった簡単な作業を通じて、電食が生じるおそれのあるセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成することができる。そのため、燃料電池スタック３０の生産性を向上させることができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・水給排装置２０における外部水通路２２とバイパス水路２４との接続部分に、サーモスタット弁２６を設けることに代えて、電磁制御弁を設けるようにしてもよい。こうした構成では、電池冷却系１４内を流れる冷却水の温度を検出するとともに、同温度が目標温度になるように上記電磁制御弁の作動を制御すればよい。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・水給排装置２０における外部水通路２２とバイパス水路２４との接続部分に、サーモスタット弁２６を設けることに代えて、電磁制御弁を設けるようにしてもよい。こうした構成では、電池冷却系１４内を流れる冷却水の温度を検出するとともに、同温度が目標温度になるように上記電磁制御弁の作動を制御すればよい。
・上流側セパレータ６０の凹部６７の内面と下流側セパレータ７０の凹部７７の内面とに施す表面処理は、それら内面の接触抵抗を小さくすることができるのであれば、任意に変更することができる。そうした表面処理としては、金めっき処理などを採用することができる。また、セパレータ６０，７０の接触抵抗が小さく抑えられるのであれば、そうした表面処理を省略してもよい。
・電着塗料粒子を含む冷却水を注入した状態で車両１０を運転してセパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成した後に、同冷却水を、電着塗料粒子を含まない冷却水に交換するようにしてもよい。
・冷却水に添加する電着塗料粒子としては、冷却水中において負の電荷を持つものであり、且つ、燃料電池スタック３０の発生熱によって適正に固化するものであれば、任意のものを採用することができる。また、冷却水における電着塗料粒子の濃度は任意に変更することができる。要は、各セパレータ６０，７０の表面に被覆層９０を形成するうえで必要になる量の電着塗料が冷却水に含まれていればよい。
・燃料電池スタック３０の製造（詳しくは、被覆層９０の形成）に際して、車両１０に搭載される水給排装置２０を利用することに限らず、工場に載置された水給排装置２０を用いるようにしてもよい。この場合には、電着塗料粒子として、電池冷却系１４における冷却水の目標温度よりも高い温度で固化するものを採用してもよい。こうした構成によれば、アニオン電着塗装によってセパレータ６０，７０の表面に電着塗料粒子を付着させた後に、加熱装置によって冷却水を加熱して同冷却水の温度を固化温度以上に上昇させることにより、セパレータ６０，７０の表面に付着した電着塗料粒子を固化させて被覆層９０を形成することができる。
・上流側セパレータ６０や下流側セパレータ７０としては、ステンレス鋼以外の鉄合金や、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、同合金からなるものを用いることができる。この場合には、冷却水に添加する電着塗料粒子として、上流側セパレータ６０や下流側セパレータ７０の形成材料に合わせて、それらセパレータ６０，７０の表面に付着し易い特性のものを採用することが望ましい。
・上記実施形態の燃料電池スタックやその製造方法は、車両に搭載される燃料電池スタックに限らず、地面に載置されるタイプの燃料電池スタックにも適用することができる。
１０…車両、１１…電動モータ、１２…燃料タンク、１３…フィルタ、１４…電池冷却系、２０…水給排装置、２１…ラジエータ、２２…外部水通路、２３…外部水通路、２４…バイパス水路、２５…ウォーターポンプ、２６…サーモスタット弁、３０…燃料電池スタック、３１…内部水通路、３３…プラス側ターミナルプレート、３４…マイナス側ターミナルプレート、３５…インシュレータ、３６…プレッシャープレート、３７…スタックマニホールド、３７Ａ…燃料ガス配管、３７Ｂ…酸化剤配管、３７Ｃ…冷却水配管、３８…接続プレート、３９…燃料ガス導入路、４０…燃料ガス排出路、４１…空気導入路、４２…空気排出路、４３…冷却水導入路、４４…冷却水排出路、５０…発電セル、５１…膜電極接合体、６０…上流側セパレータ、６１〜６６，７１〜７６，８１〜８６…貫通孔、６７，６８，６１Ａ〜６４Ａ，７７，７８，７１Ａ〜７４Ａ…凹部、７０…下流側セパレータ、８０…フレームプレート、８１Ａ〜８４Ａ…長孔、９０…被覆層。
Claims (3)
- 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有してなる燃料電池スタックの製造方法であって、
前記冷却水として電着塗料粒子を含むものを用いつつ前記燃料電池スタックを運転して、前記セパレータにおいて高電位になる部位に電着塗料からなる被覆層を形成する
燃料電池スタックの製造方法。 - 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有する燃料電池スタックにおいて、
前記冷却水として電着塗料粒子を含むものを用いつつ前記燃料電池スタックを運転して、前記セパレータにおいて高電位になる部位に電着塗料からなる被覆層が形成されている
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対の金属板からなるセパレータとを備えた発電セルが直列接続される態様で積層されてなるとともに、前記発電セルの積層方向において並ぶように前記セパレータに形成された貫通孔によって構成されて冷却水が流通する冷却水路を有する燃料電池スタックにおいて、
前記冷却水は電着塗料粒子を含んでいる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
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