JP6954813B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて積層し、そのセル積層体の両端に位置するセルの外側に一対のエンドプレート（プレッシャプレートやターミナルプレート、締結板などともいう）を配置し、セル積層体を一対のエンドプレートで加圧・締結し、その加圧・締結されたセル積層体（以下、燃料電池本体ということがある）をスタックケースに収容して構成される。

この種の燃料電池において、近年では、耐振動性や耐衝撃性を向上させつつ、燃料電池本体を構成するセルの位置ずれ（セルずれ）を防止するために、例えば、燃料電池本体と、燃料電池本体を内側に収容するスタックケースとの間に、介在層（以下、フィリングということがある）としてシリコンゴムやウレタンゴム等の弾性材料を介在させ、この介在層によって燃料電池本体をスタックケースに拘束するものが提案されている。

また、前記した如くの燃料電池本体とスタックケースとの間に介在層を有する燃料電池の製造方法としては、例えば、燃料電池本体（セル積層体）の側面に介在層を配置し、その後、介在層を潰しながらスタックケースに燃料電池本体を挿入する製造方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１６−０１２４０８号公報

しかしながら、この種の燃料電池の製造方法においては、セル積層体が加圧されて圧縮された状態でスタックケースに挿入される場合がある。この場合、加圧中のセル積層体に介在層を貼り付けるために、加圧中の設備に立ち入る必要が生じるが、そのように加圧中の設備に立ち入って介在層を貼り付けることは困難であり、生産性が悪いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性に優れた燃料電池の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池の製造方法は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の両端に位置する燃料電池セルの外側に一対のエンドプレートが設けられた燃料電池本体と、前記燃料電池本体を収容するスタックケースと、前記燃料電池本体と前記スタックケースとの間に配在されるフィリングとを備える燃料電池の製造方法であって、前記一対のエンドプレートによって前記セル積層体を積層方向に加圧して前記燃料電池本体を形成する加圧工程と、対向する内周面に予め前記フィリングが付設された前記スタックケースに前記燃料電池本体を内挿する挿入工程と、を含むことを特徴としている。

前記挿入工程において、前記燃料電池本体を前記エンドプレート側から挿入し、前記フィリングを前記エンドプレートで潰しながら前記スタックケースに内挿することが好ましい。

前記フィリングが対向する方向において、前記フィリング同士の最小間隔をＡ、前記セル積層体の最大幅をＢ、および前記エンドプレートの幅をＣとしたとき、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を満たしていることが好ましい。

前記エンドプレートの前記スタックケースへの挿入側の端部外周に、前記スタックケースへの挿入方向に向けて先細となるテーパ面が設けられていることが好ましい。

前記テーパ面の先端側の最小間隔をＤとしたとき、Ｄ＜Ａの関係を満たしていることが好ましい。

前記フィリングにおける前記エンドプレートと接触する部位を覆うように、前記フィリングより接触抵抗の小さいフィリングカバーが設けられていることが好ましい。

前記フィリングカバーは、前記フィリングから前記内周面にかけて前記スタックケースの挿入開口側に向けて拡がる傾斜部を有することが好ましい。

前記エンドプレートのテーパ面の挿入方向に対する角度が、前記フィリングカバーの傾斜部の挿入方向に対する角度より小さく設定されていることが好ましい。

前記フィリングカバーにおける前記フィリングと接触する部位に、前記フィリング側に突出する凸部が設けられていることが好ましい。

前記フィリングは、前記スタックケースの内周面に挿入方向で間隔をあけて複数個に分けて設けられるとともに、前記フィリングカバーは、前記複数個に分けて設けられたフィリングに亘って設けられており、前記凸部は、前記複数個に分けて設けられたフィリングのうち前記スタックケースの挿入開口側に位置するフィリング以外のフィリングと接触する部位に設けられていることが好ましい。

前記挿入工程前に、前記フィリングおよび前記フィリングカバーを絶縁性を有するインシュレータに取り付けて一体化するとともに、前記フィリングおよび前記フィリングカバーを取り付けた前記インシュレータを前記スタックケースの内側に配置することが好ましい。

前記フィリングおよび前記フィリングカバーが内面に配置された前記インシュレータを前記スタックケースの内周面に沿って配置することが好ましい。

本発明によれば、前記挿入工程前に、スタックケースの内周面に予めフィリングを付設し、そのスタックケースに加圧後のセル積層体（燃料電池本体）を内挿するので、フィリングを容易に配置でき、生産性を格段に向上させることができる。

本発明による燃焼電池の製造方法の第１実施形態により製造された燃料電池の断面図である。 図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第１実施形態の概略を示すフロー図である。 図３に示されるセル積層工程の概略を示す斜視図である。 図３に示される加圧工程の概略を示す斜視図である。 図３に示される挿入工程の概略を示す斜視図である。 図６に示される挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入前の内部を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は要部拡大断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＸ−Ｘ矢視断面図である。 図６に示される挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入途中の内部を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は要部拡大断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＸ−Ｘ矢視断面図である。 図６に示される挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入完了時の内部を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は要部拡大断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＸ−Ｘ矢視断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第２実施形態により製造された燃料電池の断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第２実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入前の内部を示す要部拡大断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第２実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入途中の内部を示す要部拡大断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第３実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入前の内部を示す要部拡大断面図である。 本発明による燃焼電池の製造方法の第３実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入途中の内部を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

＜第１実施形態＞
［燃料電池（燃料電池スタック）の構成］
図１は、本発明による燃焼電池の製造方法の第１実施形態により製造された燃料電池の断面図である。また、図２は、図１に示される燃料電池（燃料電池スタック）の要部断面図である。

図示実施形態の燃料電池１００は、基本的に、燃料電池本体１０と、燃料電池本体１０を内側に収容するスタックケース２５と、燃料電池本体１０とスタックケース２５との間に配在される介在層としてのフィリング３０とを備える。

まず、本発明による製造方法の適用対象となる燃料電池（燃料電池スタック）１００として固体高分子型燃料電池を例にとり、図２を参照してその内部構成を概説する。

図２は、燃料電池（燃料電池スタック）１００の燃料電池本体１０の要部を断面視した図である。図２に示すように、燃料電池本体１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている（セル積層体９）。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１００（の燃料電池本体１０）の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１００（の燃料電池本体１０）の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

また、隣接する２つのセル１の端部間には、燃料ガス（例えば水素）または酸化剤ガス（例えば空気）や冷却用の水をシールするガスケット８が挟圧保持されている（図２には不図示、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）に図示）。

燃料電池本体１０は、図１に示すように、主に、前記したセル積層体９と一対のエンドプレート１１、１２とを備える。

一対のエンドプレート１１、１２は、セル積層体９の両端（セル積層方向両端）に位置するセル１の外側に配置され、前記燃料電池本体１０は、セル積層体９を一対のエンドプレート１１、１２で所定面圧で挟まれ（拘束され）、さらにこれらエンドプレート１１、１２同士を繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重が付与（加圧）されて締結される。セル積層体９等を積層状態で拘束するテンションプレートは、両エンドプレート１１、１２間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該燃料電池本体１０の両側に対向するように配置される。テンションプレートは、各エンドプレート１１、１２に接続され、セル積層体９の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。

本例では、セル積層方向（後述するスタックケース２５への挿入方向）に垂直な方向において、スタックケース２５への挿入側に配置されたエンドプレート１１の幅がセル積層体９の最大幅より大きく設計されるとともに、そのエンドプレート１１のスタックケース２５への挿入側の端部外周に、先端側（スタックケース２５への挿入方向）に向けて先細（幅狭）となる円錐台面からなるテーパ面１１ｔが設けられている（後で詳述）。

スタックケース２５は、ケース本体２６と蓋体２７とを備える。なお、本例では、前記した一対のエンドプレート１１のうちスタックケース２５への挿入側とは反対側に配置されたエンドプレート１２に蓋体２７が一体に形成されている。言い換えれば、エンドプレート１２が蓋体２７を兼ねている。

ケース本体２６は、燃料電池本体１０を内側に収容するための空隙を有する概略矩形状ないし箱状の外観形状を備え、ケース本体２６を構成する一面が開口（挿入開口）２６ａとなっており、その開口２６ａがエンドプレート１２と一体とされた蓋体２７で閉塞・封止されて、前記燃料電池本体１０を圧縮状態で収容する。

フィリング３０は、燃料電池本体１０（のセル積層体９）におけるセル積層方向に沿った側面（外周面）とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に配置されている。

本例では、前記フィリング３０は、例えば略矩形状を有し、図１とともに図５を参照すればよく分かるように、セル積層方向に垂直な断面で視たときに、燃料電池本体１０の側面およびスタックケース２５の内周面の４つの角部の近傍に２列ずつ（合計、８列）配列されている。また、セル積層方向の断面で視たときに、燃料電池本体１０の側面（セル積層方向に沿った側面）に沿って間隔をあけて複数個（図示例では、３個）に分けて配列されている。このように、フィリング３０が二つ以上かつ各々対向して設置されることで、燃料電池本体１０（のセル積層体９）に作用する剪断歪みや回転モーメントを抑制することができる。

なお、前記フィリング３０は、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面の対向する位置に配設されていれば、その形状や大きさ、配置箇所等は、図示例に限られないことは勿論である。例えば、セル積層方向に垂直な断面で視たときに、燃料電池本体１０の側面およびスタックケース２５の内周面の中央付近等に配置してもよいし、セル積層方向の断面で視たときに、燃料電池本体１０におけるセル積層方向に沿った側面の一端から他端に亘って（つまり、間隔をあけずに連続的に）配置してもよい。

前記フィリング３０は、シリコンゴムやウレタンゴム等の柔軟性および絶縁性を有する弾性材料で形成され、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の対向する内周面に付設されており、燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）される前の状態において（すなわち、フィリング３０に対する荷重ゼロの状態において）、前記対向するフィリング３０同士の最小間隔は、当該フィリング３０に対向する燃料電池本体１０のセル積層体９の最大幅より小さく設計されている（図７（Ｂ）参照）。燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）されたときに、前記フィリング３０は燃料電池本体１０（のエンドプレート１１）で弾性的に圧縮変形され（潰され）（図８（Ｂ）参照）、その後、前記フィリング３０が弾性的に膨らんで燃料電池本体１０の各セル１の凹凸等に合わせて燃料電池本体１０との隙間を埋め、燃料電池本体１０の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間で圧縮状態で狭圧保持される（図９（Ｂ）参照）。このフィリング３０の弾性によって、燃料電池本体１０のセル積層体９がスタックケース２５に拘束され、耐振動性や耐衝撃性が向上するとともに、燃料電池本体１０を構成するセル１の位置ずれ（特に、積層方向に垂直な方向の位置ずれ）が抑止される。

より詳しくは、前記フィリング３０は、ダイラタント的特性を有する弾性体で形成される。ダイラタント的特性とは、ゆっくりとした入力荷重（衝撃）には流動性を示し、ゆっくり変形し、急激な入力荷重（衝撃）には固体のように振る舞い、ほとんど変形しない性質をいう。こうした特性から、燃料電池本体１０をスタックケース２５に収容（挿入）するときに、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面に配置されたフィリング３０は燃料電池本体１０のエンドプレート１１で潰されてその厚みが小さくなるが、その厚みが膨らんでセル積層体９に接触（詳しくは、フィリング３０の表面に設けられたカバー４０が接触）する前に燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容される。これにより、フィリング３０に影響されずに（つまり、セル積層体９の各セル１がフィリング３０に接触（詳しくは、フィリング３０の表面に設けられたカバー４０が接触）することなく）燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容される。この場合、前記フィリング３０は、前記したように、その後にその復元力（弾性力）により膨らみ、初期厚さを回復することなく圧縮状態で燃料電池本体１０の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に配置される。このようにして、前記した拘束機能等を発揮し得るとともに、フィリング３０によるセル積層体９の各セル１の変形を抑制して、各セル１間に設けられたガスケット８のシール面圧の低下を回避できる（後で詳述）。

なお、前記フィリング３０は、ポロプロピレン等の袋体に封入され、充填後にその袋体の内部で硬化して、前記した拘束機能等を発揮し得るものでもよい。

また、本例では、燃料電池本体１０とスタックケース２５の内周面に付設されたフィリング３０との間に、シート（薄板）状のフィリングカバー（以下、単にカバーという）４０を備える。

前記カバー４０は、ポリプロピレン等の高滑性（言い換えれば、接触抵抗ないし摩擦抵抗の小さい）および絶縁性を有する樹脂材料で形成され、フィリング３０の表面（詳しくは、フィリング３０における燃料電池本体１０のエンドプレート１１と接触し得る部位）を覆うように配設されており、このカバー４０は、燃料電池本体１０とスタックケース２５とを絶縁するインシュレータとしての機能を兼ねている。

このカバー４０の表面は滑らかであり、高滑性（詳細には、フィリング３０より高滑性）のカバー４０がフィリング３０（の表面）上に配置されるため、燃料電池本体１０をスタックケース２５（のケース本体２６）に挿入する際に要する荷重（接触抵抗ないし摩擦抵抗により生じる挿入荷重ないし押し込み荷重）を低く抑えることができ、燃料電池本体１０をスタックケース２５（のケース本体２６）に挿入しやすくできる。加えて、フィリング３０とカバー４０との間で良好な滑性が得られるため、フィリング３０が粘着性を有する物質であっても、フィリング３０がカバー４０に付着して動かなくなることを抑制でき、このため、フィリング３０が潰されやすく（変形しやすく）なる。

また、本例では、前記したフィリング３０およびカバー４０は、絶縁性を有するシート状の樹脂材料で形成され、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面に沿って配置されたインシュレータ５０（図５参照）の所定箇所に予め取り付けられて（例えば、接着による貼り付け等により取り付けられて）一体化されている。

前記フィリング３０およびカバー４０をシート状に形成したインシュレータ５０に取り付けて一体とし、前記フィリング３０およびカバー４０が内側に配置されるようにして前記インシュレータ５０をスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面に沿った形状（つまり、断面概略矩形状）に形成し、このインシュレータ５０をスタックケース２５（のケース本体２６）の内側に挿入して配置固定（例えば、貼り付け等により固定）することにより、前記フィリング３０およびカバー４０が、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の対向する内周面に付設される。

［燃料電池（燃料電池スタック）の製造方法］
図３は、本発明による燃焼電池の製造方法の第１実施形態の概略を示すフロー図である。また、図４〜図６はそれぞれ、図３に示されるセル積層工程、加圧工程、挿入工程の概略を示す斜視図である。

前記した燃料電池（燃料電池スタック）１００の製造工程は、図３に示すように、主に、セル積層工程（Ｓ１）、加圧工程（Ｓ２）、挿入工程（Ｓ３）を含んで構成される。

まず、セル積層工程（Ｓ１）では、図４に示すように、前記したセル１を所定間隔（例えば、約2mmピッチ）で複数枚積層するとともに、隣接する２つのセル１間に、シール用のガスケット８を配置して、セル積層体９を形成する。

次に、加圧工程（Ｓ２）では、図５に示すように、前記したフィリング３０およびカバー４０が一体化され、所定形状（内面にフィリング３０およびカバー４０が配置される形状）に形成されたインシュレータ５０をその内側に挿入して配置固定したケース本体２６を用意する。また、セル積層体９の両端に位置するセル１の外側に前記一対のエンドプレート１１、１２を配置するとともに、ケース本体２６に設備シャフトＳ（図示例では、２本の設備シャフトＳ）を通し、その設備シャフトＳの先端をエンドプレート１１（スタックケース２５への挿入側のエンドプレート１１）に固定しておく。そして、前記エンドプレート１１、１２およびテンションプレート等を利用して、前記セル積層体９を（セル１の）積層方向に加圧（荷重を付与）し、各セル１のガス拡散層７、７を圧縮変形させ、各セル１間の間隔を（例えば、約2mmピッチから約1mmピッチまで）狭めて、燃料電池本体１０を形成する。

そして、挿入工程（Ｓ３）では、図６に示すように、設備シャフトＳをケース本体２６に対して後退させ（あるいは、ケース本体２６を設備シャフトＳに沿って燃料電池本体１０側に移動させ）、前記エンドプレート１１、１２およびテンションプレート等により加圧されて保持された燃料電池本体１０を、前記エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）側からケース本体２６の開口（挿入開口）２６ａを通してその内部に引き込んで内挿し、エンドプレート１２と一体とされた蓋体２７をケース本体２６の開口２６ａに締結して、前記燃料電池本体１０をスタックケース２５に封入する。

ここで、前記したように、燃料電池本体１０のスタックケース２５への挿入前の状態において、スタックケース２５の対向する内周面に付設されたフィリング３０同士の最小間隔Ａ、セル積層体９の最大幅Ｂ、およびエンドプレート１１の幅Ｃは、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を満たすように設計されている。また、エンドプレート１１のスタックケース２５への挿入側の端部外周にテーパ面１１ｔが設けられるとともに、そのテーパ面１１ｔの先端側の最小間隔（つまり、スタックケース２５への挿入側端面における間隔）Ｄは、Ｄ＜Ａの関係を満たすように設計されている（図７（Ｂ）参照）。

なお、各セル１の大きさが一致していても、前記したセル積層工程（Ｓ１）において積層時の位置ばらつきが生じるため、前記セル積層体９の最大幅Ｂは、セル１の幅よりも大きい値となっている。

前記のように各部の寸法が設計されているため、前記挿入工程（Ｓ３）にて燃料電池本体１０をスタックケース２５のケース本体２６に挿入する（押し込む）と、エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）が（カバー４０を介して）フィリング３０に衝接し、そのフィリング３０を潰しながら（具体的には、横方向に広がるように圧縮弾性変形させながら）燃料電池本体１０がケース本体２６に内挿されていく（図８（Ａ）〜（Ｃ）参照）。

このとき、前記フィリング３０はダイラタント的特性を有するので、燃料電池本体１０のケース本体２６への挿入速度やフィリング３０の復元力等を適宜に調整（例えば、挿入速度を数百mm/min程度に調整）することにより、エンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）がフィリング３０を潰しながら通過した後、厚みが小さくなったフィリング３０が膨らんでセル積層体９に接触（詳しくは、フィリング３０の表面に設けられたカバー４０が接触）する前に、燃料電池本体１０がスタックケース２５（のケース本体２６）に完全に内挿されて収容される。この場合、フィリング３０は、その後にその復元力（弾性力）により徐々に膨らんで初期厚みに戻っていくが、初期厚さを回復することなく圧縮状態で燃料電池本体１０の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に配置される（図９（Ａ）〜（Ｃ）参照）。このように、フィリング３０が膨らみながら厚みを回復しつつ、燃料電池本体１０の各セル１の凹凸等に合わせて燃料電池本体１０との隙間を埋め、燃料電池本体１０の側面とスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面との間に圧縮状態で配置されることで、前記した拘束機能等を発揮し得るとともに、フィリング３０によるセル積層体９の各セル１の変形を抑制して、各セル１間に設けられたガスケット８のシール面圧の低下を回避できる。

これにより、前記したセル拘束用のフィリング３０等が設けられた燃料電池１００が製造されることになる。

以上で説明したように、本実施形態では、前記挿入工程（Ｓ３）前に、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面に予めフィリング３０を付設し、そのスタックケース２５に加圧後のセル積層体９（燃料電池本体１０）を内挿するので、フィリング３０を容易に配置でき、生産性を格段に向上させることができる。

また、前記挿入工程（Ｓ３）において、燃料電池本体１０をエンドプレート１１側から挿入し、フィリング３０をエンドプレート１１で潰しながらスタックケース２５に内挿するので、例えば、予めスタックケースの外部で潰した（圧縮変形させた）フィリングをスタックケースの内周面に付設し、そのスタックケースに燃料電池本体を挿入する場合と比べて、組付工数、組付工程が少なくて済むとともに、燃料電池本体１０のスタックケース２５への挿入時間等の管理も不要になり、製造コストを抑えられるとともに、組付け性（挿入性）を確保することができる。

また、例えば、エンドプレートの幅Ｃが対向する二つのフィリング同士の最小間隔Ａより小さい場合（Ｃ＜Ａ）や、エンドプレートの幅Ｃが対向する二つのフィリング同士の最小間隔Ａ以上であってもセル積層体の最大幅Ｂがエンドプレートの幅Ｃ以上である場合（Ａ≦Ｃ≦Ｂ）、すなわち、挿入時にセル積層体（の積層方向の側面）がフィリングに直接接触する場合、セル積層体は、フィリングとの接触で各セルに曲げのエネルギが蓄積される。そして、そのまま押し込み続けてフィリングが無い所までセル積層体が押し込まれて移動した時に、曲げのエネルギが一挙に解放され、セルが逆方向に変形してセル間に設けられたシール用のガスケットの面圧が低下してしまう。この場合、セルの変形が復帰する作用力は無く、面圧は低下したままとなり、このまま発電しようとすると燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却用の液体が漏れることがある。

また、上記とは別に、スタックケースに設けられた注入孔からスタックケースとセル積層体との間に、前記セル積層体を拘束するための樹脂を注入する方法などもあるが、注入された樹脂がセル間に入り込み、さらには硬化時に収縮して、セル間に設けられたガスケットのシール面圧が低下しまう。

本実施形態では、スタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面に付設されたフィリング３０が対向する方向において、フィリング３０同士の最小間隔Ａ、セル積層体９の最大幅Ｂ、およびエンドプレート１１の幅Ｃが、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を満たすように設計されているので、エンドプレート１１でフィリング３０を圧縮変形させながら燃料電池本体１０をスタックケース２５（のケース本体２６）に挿入できるとともに、フィリング３０との接触によるセル１の変形を抑制できるため、セル１間に設けられたガスケット８のシール面圧の低下を回避することができる。

さらに、本実施形態では、エンドプレート１１のスタックケース２５への挿入側の端部外周に、スタックケース２５への挿入方向に向けて先細となるテーパ面１１ｔが設けられるので、スタックケース（のケース本体２６）に挿入する際に要する荷重（挿入荷重ないし押し込み荷重）を低く抑えることができ、燃料電池本体１０のスタックケース２５（のケース本体２６）への挿入性（組付性）を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図１０は、本発明による燃焼電池の製造方法の第２実施形態により製造された燃料電池の断面図である。また、図１１および図１２はそれぞれ、本発明による燃焼電池の製造方法の第２実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入前および挿入途中の内部を示す要部拡大断面図である。

本第２実施形態の燃料電池２００は、上記第１実施形態の燃料電池１００に対し、主に、カバー４０の形状が異なり、その他の構成は上記第１実施形態とほぼ同じである。よって、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を付してその説明を省略し、以下では、相違点についてのみ説明する。

本第２実施形態では、カバー４０の端部（スタックケース２５の挿入開口２６ａ側の端部）に、フィリング３０からスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の内周面（詳しくは、内周面に沿って配されたインシュレータ５０の内面）にかけてスタックケース２５の挿入開口２６ａ側に向けて拡がる傾斜部４０ａを有するように、当該カバー４０が形成されている。

また、本例では、前記カバー４０は、燃料電池本体１０におけるセル積層方向（挿入方向）で間隔をあけて複数個に分けて設けられた各フィリング３０に亘って（詳しくは、隣り合うフィリング３０の間で、スタックケース２５の内周面から浮かせた状態で）設けられている。

さらに、本例では、エンドプレート１１の挿入側先端面の幅（つまり、テーパ面１１ｔの先端側の最小間隔）Ｄは、対向する二つのフィリング３０同士の最小間隔Ａより大きく設計されている（図１１参照）。

この場合、燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）されたときに、燃料電池本体１０のエンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）がカバー４０の傾斜部４０ａに接触し、カバー４０が外側（スタックケース２５のケース本体２６の内周面側）に拡がるように変形され、この変形に伴って（すなわち、燃料電池本体１０のエンドプレート１１（の挿入側端部）がフィリング３０に対応する部分に到達し、これによって当該フィリング３０を圧縮弾性変形させる前に）フィリング３０が潰され（図１２参照）、その後、燃料電池本体１０をスタックケース２５に挿入していくと、変形されたフィリング３０に（カバー４０を介して）燃料電池本体１０のエンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）が接触して更に圧縮変形されるようになる。

つまり、本例では、燃料電池本体１０のエンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）（の挿入側端部）がフィリング３０に到達する段階で、対向するフィリング３０同士の最小間隔Ａが大きくされている。

これにより、本実施形態では、燃料電池本体１０（のエンドプレート１１）をスタックケース２５に挿入し（押し込み）やすくなり、生産性を良くすることができる。

また、本例では、エンドプレート１１のテーパ面１１ｔの挿入方向（積層方向）に対する角度θａが、カバー４０の傾斜部４０ａの挿入方向（積層方向）に対する角度θｂより小さく（緩やかに）設定されている（θａ＜θｂ）。そのため、挿入時において、エンドプレート１１のテーパ面１１ｔの先端側角部からカバー４０の傾斜部４０ａに衝接し、エンドプレート１１のテーパ面１１ｔの先端側角部からそのテーパ面１１ｔでカバー４０の傾斜部４０ａが滑らかに（次第に）潰されていくことになる（特に、図１２参照）。

これにより、本実施形態では、エンドプレート１１がカバー４０に衝接する際の衝撃を緩和できるため、燃料電池本体１０のスタックケース２５への挿入時におけるカバー４０やフィリング３０の位置ずれ、剥がれ、脱落等を抑制することができ、更に生産性を良くすることができる。

＜第３実施形態＞
図１３および図１４はそれぞれ、本発明による燃焼電池の製造方法の第３実施形態の、挿入工程における燃料電池本体のスタックケースへの挿入前および挿入途中の内部を示す要部拡大断面図である。

本第３実施形態の燃料電池３００は、上記第２実施形態の燃料電池２００に対し、主に、カバー４０の形状が異なり、その他の構成は上記第２実施形態とほぼ同じである。よって、上記第２実施形態と同様の構成には同一符号を付してその説明を省略し、以下では、相違点についてのみ説明する。

本第３実施形態では、カバー４０におけるフィリング３０（図示例では、スタックケース２０の挿入開口２６ａ側から（挿入方向で）２個目のフィリング３０）と接触する部分に、フィリング３０側（外側）に突出する凸部（エンボスともいう）４０ｂが設けられている。この凸部４０ｂがフィリング３０に当接することによって、カバー４０（具体的には、凸部４０ｂよりも挿入開口２６ａ側（挿入方向で手前側）の部分）が、挿入方向で幅狭となるように傾斜せしめられる（図１３参照）。

この凸部４０ｂによっても、上記した第２実施形態のカバー４０の傾斜部４０ａと同様、燃料電池本体１０がスタックケース２５に収容（挿入）されたときに、燃料電池本体１０のエンドプレート１１（の挿入側端部）がフィリング３０に対応する部分に到達し、これによって当該フィリング３０を圧縮弾性変形させる前に、前記凸部４０ｂによってフィリング３０が潰され（図１４参照）、その後、燃料電池本体１０をスタックケース２５に挿入していくと、変形されたフィリング３０に（カバー４０を介して）燃料電池本体１０のエンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）が接触して更に圧縮変形されるようになる。

つまり、本第３実施形態でも、上記した第２実施形態と同様、燃料電池本体１０のエンドプレート１１（のテーパ面１１ｔ）（の挿入側端部）がフィリング３０（詳しくは、カバー４０に設けられた凸部４０ｂが当接するフィリング３０）に到達する段階で、対向するフィリング３０同士の最小間隔Ａが大きくされている。

これにより、本実施形態でも、燃料電池本体１０（のエンドプレート１１）をスタックケース２５に挿入し（押し込み）やすくなり、生産性を良くすることができる。

なお、上記第１〜第３実施形態では、絶縁性を有するシート状のインシュレータ５０を用いてフィリング３０およびカバー４０をスタックケース２５（のケース本体２６の側壁）の対向する内周面に付設しているが、例えば、当該フィリング３０およびカバー４０をスタックケース２５の対向する内周面に直接（接着等により）付設してもよいことは勿論である。また、例えば、フィリング３０が所要の滑り性を有する場合には、フィリング３０の表面に設けたカバー４０を省略してもよいことは詳述するまでも無い。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（燃料電池セル）、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、８…ガスケット、９…セル積層体、１０…燃料電池本体、１１…エンドプレート（挿入側）、１１ｔ…テーパ面、１２…エンドプレート（挿入側とは反対側）、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間、２５…スタックケース、２６…ケース本体、２６ａ…開口（挿入開口）、２７…蓋体、３０…フィリング、４０…フィリングカバー、４０ａ…傾斜部、４０ｂ…凸部、５０…インシュレータ、１００…燃料電池（燃料電池スタック）

Claims (12)

1. 複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の両端に位置する燃料電池セルの外側に一対のエンドプレートが設けられた燃料電池本体と、前記燃料電池本体を収容するスタックケースと、前記燃料電池本体と前記スタックケースとの間に配在されるフィリングとを備える燃料電池の製造方法であって、
   前記一対のエンドプレートによって前記セル積層体を積層方向に加圧して前記燃料電池本体を形成する加圧工程と、
   対向する内周面に予め前記フィリングが付設された前記スタックケースに前記燃料電池本体を前記エンドプレート側から挿入し、前記フィリングを前記エンドプレートで潰しながら前記スタックケースに内挿する挿入工程と、を含み、
   前記スタックケースに前記燃料電池本体を内挿する前の状態において、前記フィリングが対向する方向において、前記フィリング同士の最小間隔をＡ、前記セル積層体の最大幅をＢ、および前記エンドプレートの幅をＣとしたとき、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係を満たしている燃料電池の製造方法。
2. 複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の両端に位置する燃料電池セルの外側に一対のエンドプレートが設けられた燃料電池本体と、前記燃料電池本体を収容するスタックケースと、前記燃料電池本体と前記スタックケースとの間に配在されるフィリングとを備える燃料電池の製造方法であって、
   前記一対のエンドプレートによって前記セル積層体を積層方向に加圧して前記燃料電池本体を形成する加圧工程と、
   対向する内周面に予め前記フィリングが付設された前記スタックケースに前記燃料電池本体を前記エンドプレート側から挿入し、前記フィリングを前記エンドプレートで潰しながら前記スタックケースに内挿する挿入工程と、を含み、
   前記エンドプレートの前記スタックケースへの挿入側の端部外周に、前記スタックケースへの挿入方向に向けて先細となるテーパ面が設けられている燃料電池の製造方法。
3. 複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体の両端に位置する燃料電池セルの外側に一対のエンドプレートが設けられた燃料電池本体と、前記燃料電池本体を収容するスタックケースと、前記燃料電池本体と前記スタックケースとの間に配在されるフィリングとを備える燃料電池の製造方法であって、
   前記一対のエンドプレートによって前記セル積層体を積層方向に加圧して前記燃料電池本体を形成する加圧工程と、
   対向する内周面に予め前記フィリングが付設された前記スタックケースに前記燃料電池本体を前記エンドプレート側から挿入し、前記フィリングを前記エンドプレートで潰しながら前記スタックケースに内挿する挿入工程と、を含み、
   前記フィリングにおける前記エンドプレートと接触する部位を覆うように、前記フィリングより接触抵抗の小さいフィリングカバーが設けられている燃料電池の製造方法。
4. 前記エンドプレートの前記スタックケースへの挿入側の端部外周に、前記スタックケースへの挿入方向に向けて先細となるテーパ面が設けられている、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記スタックケースに前記燃料電池本体を内挿する前の状態において、前記テーパ面の先端側の最小間隔をＤとしたとき、Ｄ＜Ａの関係を満たしている、請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記フィリングにおける前記エンドプレートと接触する部位を覆うように、前記フィリングより接触抵抗の小さいフィリングカバーが設けられている、請求項４または５に記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記フィリングカバーは、前記フィリングから前記内周面にかけて前記スタックケースの挿入開口側に向けて拡がる傾斜部を有する、請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
8. 前記エンドプレートのテーパ面の挿入方向に対する角度が、前記フィリングカバーの傾斜部の挿入方向に対する角度より小さく設定されている、請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
9. 前記フィリングカバーにおける前記フィリングと接触する部位に、前記フィリング側に突出する凸部が設けられている、請求項３または６から８のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
10. 前記フィリングは、前記スタックケースの内周面に挿入方向で間隔をあけて複数個に分けて設けられるとともに、前記フィリングカバーは、前記複数個に分けて設けられたフィリングに亘って設けられており、
    前記凸部は、前記複数個に分けて設けられたフィリングのうち前記スタックケースの挿入開口側に位置するフィリング以外のフィリングと接触する部位に設けられている、請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記挿入工程前に、前記フィリングおよび前記フィリングカバーを絶縁性を有するインシュレータに取り付けて一体化するとともに、前記フィリングおよび前記フィリングカバーを取り付けた前記インシュレータを前記スタックケースの内側に配置する、請求項３または６から１０のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
12. 前記フィリングおよび前記フィリングカバーが内面に配置された前記インシュレータを前記スタックケースの内周面に沿って配置する、請求項１１に記載の燃料電池の製造方法。

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