JP7052442B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単セルを、複数枚積層した燃料電池スタックの製造方法に関する。

従来、この種の燃料電池スタックの製造方法としては、例えば特許文献１には、以下に示す燃料電池スタックの製造方法が開示されている。まず、この製造方法では、高分子電解質膜の両面に電極層を形成した膜電極接合体を準備する。この膜電極接合体にガスケットを介して一対のセパレータを挟持するように配置して、ガスケットをレーザ溶接により接着して単セルを製造している。次に、製造された複数枚の単セルを順次積層することにより、燃料電池スタックを製造している。

特開２００９－４３６０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、単セルを製造する工程と、単セル同士を複数枚積層して燃料電池スタックを製造する工程とを、異なる箇所で個別に実施することになる。これにより、製造された単セルを順次搬送してこれらを順次積層するので、燃料電池スタックの製造に時間を要してしまう。

特に、単セルは、一対のセパレータと膜電極接合体との積層構造であるため、単セルを製造する工程において、この積層構造の各部材同士に僅かに位置ずれがある場合、燃料電池スタックを製造する工程において、単セル同士を、精度良く複数枚積層するのに時間を要してしまう。

さらに、燃料電池スタックを製造する際には、積層した単セルを積層方向から一度に加圧するため、単セルに僅かな反りなどがある場合、セパレータと膜電極接合体との接合部分に過度の負荷が作用してしまい、燃料電池スタックとしても信頼性が低下してしまうことが想定される。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、本発明では、信頼性の高い燃料電池スタックを効率よく製造できる製造方法を提供する。

前記課題に鑑みて、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、ガス拡散層が両面に積層された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を周回するように前記膜電極接合体に固定された樹脂フレームと、を備えた電極アッセンブリを、一対のセパレータで挟持した単セルを、複数枚積層した構造の燃料電池スタックの製造方法であって、前記製造方法は、前記燃料電池スタックの積層状態に応じて、前記セパレータ、前記電極アッセンブリ、および前記セパレータの順に、積層することを繰り返しながら、前記燃料電池スタックを製造するものであり、前記電極アッセンブリを前記セパレータに積層する際には、前記電極アッセンブリを前記セパレータに積層した状態で押圧し、前記電極アッセンブリにレーザ光を照射することにより、前記樹脂フレームの樹脂を溶融させて、前記電極アッセンブリを前記セパレータに接合し、前記セパレータを前記電極アッセンブリに積層する際には、前記セパレータを前記電極アッセンブリに積層した状態で押圧し、前記セパレータにレーザ光を照射することにより、前記セパレータを介して前記樹脂フレームの樹脂を溶融させて、前記セパレータを前記電極アッセンブリに接合することを特徴とする。

本発明によれば、電極アッセンブリをセパレータに積層する際には、電極アッセンブリをセパレータに積層した状態で押圧し、電極アッセンブリにレーザ光を照射することにより、電極アッセンブリの樹脂フレームをセパレータに接合する。一方、セパレータを電極アッセンブリに積層する際には、セパレータを電極アッセンブリに積層した状態で押圧し、セパレータにレーザ光を照射することにより、セパレータを加熱し、電極アッセンブリの樹脂フレームに接合する。このように、押圧しながらこれらの部材を、１枚ずつ順次接合することができるため、接合時の熱影響による反りなどを抑えつつ、精度よく位置あわせした状態で、これらの部材を接合することができる。さらに、電極アッセンブリおよびセパレータを、1枚ずつ積層しながら、単セルを製造しつつも、燃料電池スタックも合わせて製造することができるので、効率良く燃料電池スタックを製造することができる。

より好ましい態様としては、前記製造方法は、前記セパレータを、前記単セルを構成するセパレータにさらに積層する際に、積層する前記セパレータと、前記単セルを構成するセパレータとの間に、導電性アッセンブリを介して、前記セパレータ同士を接合する工程を備えており、前記導電性アッセンブリは、導電性部材と、前記導電性部材の外周を周回するように前記導電性部材に固定された樹脂フレームと、を備えており、前記セパレータ同士を接合する際に、前記単セルを構成するセパレータに、前記導電性アッセンブリを積層した状態で押圧し、前記導電性アッセンブリの樹脂フレームにレーザ光を照射することにより、前記導電性アッセンブリの前記樹脂フレームを、前記セパレータに接合し、前記導電性アッセンブリに前記セパレータを接合する際には、前記導電性アッセンブリに前記セパレータを積層した状態で押圧し、前記セパレータにレーザ光を照射することにより、前記セパレータを、前記導電性アッセンブリの前記樹脂フレームに接合する。

この態様によれば、単セルを構成するセパレータにさらに次の単セルとなるセパレータを積層する際に、これらのセパレータを、導電性アッセンブリを介して接合する。導電性アッセンブリは、導電性部材を有するので、両側に配置された単セルのセパレータ同士を導通することができる。また、導電性アッセンブリの樹脂フレームに、電極アッセンブリの樹脂フレームと同様の形状の樹脂フレームを用いることにより、より安価に燃料電池スタックを製造することができる。

本発明の燃料電池スタックの製造方法によれば、燃料電池スタックを効率よく、精度よく製造することができるとともに、発電効率を高めることができる。

本実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法で製造される燃料電池スタックの単セルを示す分解状態の斜視図である。 図１の燃料電池スタックの単セルごとに分解した分解斜視図である。 図２の燃料電池スタックの単セルを積層した状態の要部断面図である。 電極を有しない導電性アッセンブリの斜視図である。 図４の導電性アッセンブリを積層した状態の要部断面図である。 図１～５に示す燃料電池スタックを製造する製造装置の分解状態の斜視図である。 は図５に示す燃料電池スタックを製造する製造装置の押圧部材の斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法の工程を示す立面図である。 セパレータと電極アッセンブリとの押圧接合工程を示す要部断面図である。 図９Ａに示す接合状態から、さらなる電極アッセンブリとセパレータとの押圧接合工程を示す要部断面図である。 図９Ｂに示す接合状態から、さらなるセパレータと導電性アッセンブリとの押圧接合工程を示す要部断面図である。 図１０Ａに示す接合状態から、さらなる導電性アッセンブリとセパレータとの押圧接合工程を示す要部断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。先ず、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法で製造される燃料電池スタックについて詳細に説明する。

図１～５において、この製造方法で製造される燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１の一単位を構成する単セル１０が複数枚、具体的には例えば１００枚、積層された構造（スタック構造）となっている。本実施形態では、燃料電池スタック１は固体高分子型のものを採用している。

図１に示すように、燃料電池スタック１を構成する単セル１０は、電極アッセンブリ１１を備えている。電極アッセンブリ１１は、ガス拡散層が両面に形成されたシート状の膜電極接合体を備えており、これは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas diffusion layer Assembly 、以下「ＭＥＧＡ」という）１１Ａと称されることもある。電極アッセンブリ１１は、ＭＥＧＡ１１Ａの外周を周回するようにＭＥＧＡ１１Ａに固定された樹脂フレーム１１Ｂをさらに備えている。

単セル１０は、セパレータ１２、１２を備えており、電極アッセンブリ１１の両側に、セパレータ１２、１２を配置し、電極アッセンブリ１１は、セパレータ１２、１２で挟持されている。電極アッセンブリ１１のＭＥＧＡ１１Ａの高分子電解質膜１１ａの一方面には、アノード電極（燃料極）１１ｂが形成されており、他方面にはカソード電極（空気極）１１ｃが形成されており、これらの電極を覆うように、ガス拡散層１１ｄ、１１ｄがさらに積層されている。

高分子電解質膜１１ａ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、アノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃは、例えば、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。ガス拡散層１１ｄ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。

上述した如く、樹脂フレーム１１Ｂは、ＭＥＧＡ１１Ａの外周を周回するように固定されており、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂により外形が長方形状に形成され、セパレータ１２、１２の短絡を防止するものである。樹脂フレーム１１Ｂは、単セル１０の内部を通過する流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）が外部に漏れ出すことを防止する機能を有している。

電極アッセンブリ１１は、樹脂フレーム１１Ｂで覆われていない内周の中央部が発電領域１４となっており、この発電領域１４が、ＭＥＧＡ１１Ａに相当する。長手方向の両側の樹脂フレーム１１Ｂには、燃料ガス（具体的に水素ガス）、酸化剤ガス（例えば空気）、および冷却媒体（例えば冷却水）のそれぞれが個別に通過する開口部が形成されている。具体的には、樹脂フレーム１１Ｂには、燃料ガス用の一対の第１開口部１５ａ、１５ａと、酸化剤ガス用の一対の第２開口部１５ｂ、１５ｂと、冷却媒体用の一対の第３開口部１５ｃ、１５ｃが形成されている。なお、各流体に対応する一対の開口部のうち一方が、発電領域１４側へ流体を送り込むための開口部であり、他方が、発電領域１４側からの流出した流体が通過する開口部である。

燃料ガス用の第１開口部１５ａ、１５ａの開口断面は、第２開口部１５ｂ、１５ｂのものに比べて小さい。これは、第１開口部１５ａには、燃料ガスに高純度の水素ガスが供給され、第２開口部１５ｂには、酸化剤ガスとして、酸素ガスを含むエア（大気）が供給されるからである。また、燃料ガス用の第１開口部１５ａ、１５ａは、発電領域１４を挟んで、矩形状の電極アッセンブリ１１の対角に配置されている。同様に、酸化剤ガス用の第２開口部１５ｂ、１５ｂも、発電領域１４を挟んで、矩形状の電極アッセンブリ１１の対角に配置されている。

セパレータ１２、１２は、金属薄板材で形成され、チタン合金またはステンレス鋼等の薄板材をプレス成形することより製造されたものである。セパレータ１２の外形は、ＭＥＧＡ１１Ａと樹脂フレーム１１Ｂとで構成される電極アッセンブリ１１と同じ形状に形成されている。電極アッセンブリ１１の両側に配置されたセパレータ１２、１２は、基本的には同じ構成であり、長手方向の両側には電極アッセンブリ１１と同様に、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体が通過できる同一形状の開口部１５ａ～１５ｃが形成されている。

セパレータ１２は、図３に示されるように、その中央である要部に、例えば長手方向に沿って凹凸に多数の溝部が形成され、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体が流れる流路を形成している。具体的には、各セパレータ１２の要部は波形に形成され、その波形が等脚台形をなし、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１２の要部の形状は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ１１Ａの各ガス拡散層１１ｄには、セパレータ１２の頂部が面接触している。

アノード電極１１ｂ側のガス拡散層１１ｄとセパレータ１２との間に画成されるガス流路１３ａは、燃料ガスが流通する流路であり、カソード電極１１ｃ側のガス拡散層１１ｄとセパレータ１２との間に画成されるガス流路１３ｂは、酸化剤ガスが流通する流路である。単セル１０を介して対向する一方のガス流路１３ａに燃料ガスが供給され、他方のガス流路１３ｂに酸化剤ガスが供給されると、単セル１０内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

ある単セル１０と、それに隣接するもうひとつの単セル１０とは、アノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃとを向き合わせて配置され、隣接する単セル１０同士のセパレータ１２の頂部とが、面接触している。また、このセパレータ１２、１２同士は、後述する導電性アッセンブリ１６を介して面接触していてもよい。隣接する２つの単セル１０、１０間で面接触するセパレータ１２、１２の間に画成される空間には、単セル１０を冷却する冷却媒体が流通する冷却流路１３ｃが形成されている。なお、セパレータ１２、１２の間には、これらの外周縁の近傍にシール材（図示せず）が配置されている。

電極アッセンブリ１１には、発電領域１４を挟んで対角に、２つのガイド孔１７、１７が形成されている。また、セパレータ１２にも、発電領域１４を挟んで対角に、２つのガイド孔１７、１７が形成されている。各ガイド孔１７は、それぞれ同じ位置に貫通して形成されており、後述する製造装置のガイド軸が貫通可能となっている。なお、ガイド孔は２ヶ所に限られることなく、３ヶ所以上であってもよい。

図２および図３では、セパレータ１２、１２同士が直接接触していたが、例えば、上述したように、セパレータ１２、１２同士の間に導電性アッセンブリ１６を配置してもよい（図４および図５参照）。

導電性アッセンブリ１６は、基本的には電極アッセンブリ１１と同一形状に形成されている。導電性アッセンブリ１６は、導電性部材１６Ａと、導電性部材１６Ａの外周を周回するように導電性部材１６Ａに固定された樹脂フレーム１６Ｂと、を備えている。導電性部材１６Ａは、カーボンペーパなど導電性を有するものであれば特に限定されないが、好ましくは、導電性部材１６Ａは、金属製の部材であり、冷却媒体が流れることから、ステンレス鋼またはチタン合金などの耐食性に優れた材料であることが好ましい。このような導電性部材１６Ａとしては、例えば、金属薄板材またはエクスパンドメタルなどである。導電性アッセンブリ１６にも、矩形状の樹脂フレーム１６Ｂの部分に、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体が通過する同一形状の一対の開口部１５ａ～１５ｃが形成されている。

導電性アッセンブリ１６は、電極アッセンブリ１１の発電領域１４に当接する部位１６Ｃに導電性部材１６Ａが露出して、配置されている。このような導電性アッセンブリ１６を設けた場合には、図５に示すように、導電性アッセンブリ１６には、両側に隣接する単セル１０のセパレータ１２、１２が配置され、冷却媒体用の冷却流路１３ｃは、導電性アッセンブリ１６の導電性部材１６Ａにより２つに分割される。

図１および図２に示すように、電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂとこれに接合されるセパレータ１２とには、これらを接合するための接合部として、接合ライン１８が形成されている。さらに、図４に示す、導電性アッセンブリ１６を設けた場合には、導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂとこれに接合されるセパレータ１２とにも、これらを接合するための接合部として、接合ライン１８が形成されている。接合ライン１８は、後述する製造装置２０のレーザ接合装置２４から照射されるレーザ光Ｒによって、樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融し、電極アッセンブリ１１とセパレータ１２が接合された部分である。導電性アッセンブリ１６とセパレータ１２との接合ライン１８も同様である。

ここで、接合ライン１８は、電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂの内周の発電領域１４と、酸化剤ガスが流れる第２開口部１５ｂ、１５ｂと、冷却媒体が流れる第３開口部１５ｃ、１５ｃとを囲繞するように、レーザ光Ｒの照射を行って形成される。そして、燃料ガスである水素ガスが流れる第１開口部１５ａ、１５ａは接合ライン１８の外側に位置している。なお、接合ライン１８は、アノード電極１１ｂ側の面と、セパレータ１２の対向面との間には、第１開口部１５ａから発電領域１４まで、燃料ガスが流れるように断続的になっている。この接合ライン１８から断続的になった部分に、燃料ガスが流れる流路（図示せず）が形成されている。

このようにして、接合ライン１８により、第１開口部１５ａが、第２開口部１５ｂおよび第３開口部１５ｃから区分される。これにより、第１開口部１５ａに流れる燃料ガス（具体的には水素ガス）が、第２開口部１５ｂ、第３開口部１５ｃに配置されたシール材（図示せず）を透過して、これらを流れる酸化剤ガスまたは冷却媒体に混入することを防止することができる。なお、本実施形態では、接合ライン１８により、第１開口部１５ａを、第２開口部１５ｂおよび第３開口部１５ｃから区分したが、燃料ガスがシール材を透過しないのであれば、接合ライン１８内に、これらの開口部が形成されていてもよい。

つぎに、燃料電池スタック１を製造するための製造装置２０について、図６～８を参照して詳細に説明する。以下の説明では、図５に示す構造の燃料電池スタック１の製造方法を説明する。製造装置２０は、ベースとなるＸＹステージ２１と、ＸＹステージ２１上に設置固定されるワーク台座２２と、ワーク台座２２から鉛直方向に立設された２本のガイド軸２２ａ、２２ａに上下動可能に装着される押圧部材２３と、レーザ接合装置２４とを備えている。

ＸＹステージ２１は、ワーク台座２２をＸ方向およびＹ方向にステッピングモータ、ボールねじ等の機構を介して移動できる装置である。したがって、ＸＹステージ２１は、ワーク台座２２とともに、これに載置されたセパレータ１２、電極アッセンブリ１１および導電性アッセンブリ１６を水平方向に移動することができる。

ワーク台座２２は、ＸＹステージ２１に取付けられている。ワーク台座２２は、矩形状であり、その対角方向の２カ所に前記２本のガイド軸２２ａ、２２ａが鉛直方向に立設さている。これらのガイド軸２２ａ、２２ａに、ガイド孔１７、１７を挿通することにより、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１、および導電性アッセンブリ１６をワーク台座２２の所定位置に精度良く載置することができる。

押圧部材２３は、平面視が矩形状の金属板材で形成され、電極アッセンブリ１１、セパレータ１２、および導電性アッセンブリ１６と略同一形状に形成されている。押圧部材２３には、レーザ接合装置２４から照射されるレーザ光Ｒが通過できる溝部２３ａが、連続して切れ目なく形成されている。この溝部２３ａは、前記した接合ライン１８の形状に設定されている。したがって、押圧部材２３は、溝部２３ａにより、接合ライン１８の外側を押圧する外周部２３Ａと、接合ライン１８の内側を押圧する内周部２３Ｂとに分割されている。

押圧部材２３は、ワーク台座２２上に設置されたセパレータ１２、電極アッセンブリ１１、および導電性アッセンブリ１６を下方（－Ｚ方向）に押圧するため、図示していない油圧シリンダ等を備えている。具体的には、押圧部材２３には、外周部２３Ａを下方に圧力Ｐ１で押圧するための油圧シリンダと、内周部２３Ｂを下方に圧力Ｐ２で押圧するための油圧シリンダと、が設置されている。内周部２３Ｂの内部には、レーザ光により加熱された電極アッセンブリ１１の発電領域１４を冷却する冷却通路（図示せず）が形成されている。これにより、接合時に発電領域１４を冷却し、アノード電極１１ｂおよびカソード電極１１ｃが過度に加熱されることにより、これらに含まれる金属触媒の性能が低下することを抑えることができる。

押圧部材２３の外周部２３Ａには対角方向に２つのガイド孔１７、１７が形成されている。したがって、押圧部材２３の外周部２３Ａは、ガイド孔１７、１７にガイド軸２２ａ、２２ａが挿入されて油圧シリンダ等で上下動可能となっている。内周部２３Ｂは、外周部２３Ａの内周に形成された溝部２３ａが所定の間隔となるように外周部２３Ａの油圧シリンダとは別の油圧シリンダ等で上下動可能となっている。それぞれの油圧シリンダを作動させることで、最上層にあるセパレータ１２、電極アッセンブリ１１、または導電性アッセンブリ１６を押圧することができる。

レーザ接合装置２４は、光源から照射されるレーザ光Ｒで、セパレータ１２と、電極アッセンブリ１１または導電性アッセンブリ１６と、を接合するものである。レーザ光Ｒは、押圧部材２３の溝部２３ａを通して照射され、積層されたセパレータ１２、電極アッセンブリ１１、または導電性アッセンブリ１６のうちの一方の上方からレーザ光Ｒを照射して、他方に接合するものである。

例えば、接合前のセパレータ１２が最上層に位置し、その下方に電極アッセンブリ１１が位置するときには、溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射し、セパレータ１２を加熱する。これにより、下方に位置する電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂが間接的に加熱され、樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融し、下方に位置する電極アッセンブリ１１に、セパレータ１２を接合することができる。

一方、接合前の電極アッセンブリ１１が最上層に位置し、その下方にセパレータ１２が位置するときには、溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射し、電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂを直接的に加熱する。これにより、樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融し、下方に位置するセパレータ１２に、電極アッセンブリ１１を接合することができる。

さらに、接合前のセパレータ１２が最上層に位置し、その下方に導電性アッセンブリ１６が位置するときには、溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射し、セパレータ１２を加熱する。これにより、下方に位置する導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂが間接的に加熱され、樹脂フレーム１６Ｂの樹脂が溶融し、下方に位置する導電性アッセンブリ１６に、セパレータ１２を接合することができる。

一方、接合前の導電性アッセンブリ１６が最上層に位置し、その下方にセパレータ１２が位置するときには、溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射し、導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂを直接的に加熱する。これにより、樹脂フレーム１６Ｂの樹脂が溶融し、下方に位置するセパレータ１２に、導電性アッセンブリ１６を接合することができる。

前記の如く構成された本実施形態の燃料電池スタック１の製造方法について、図６～図１０Ｂを参照して説明する。本実施形態の燃料電池スタック１の製造方法は、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１、および導電性アッセンブリ１６を、燃料電池スタック１の積層状態に応じて、１枚ずつ積層し、接合する製造方法である。具体的には、単セル１０を形成する際には、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１、およびセパレータ１２の順に積層することが繰り返され、積層された単セル１０と、次の単セル１０となるセパレータ１２を積層する前に、セパレータ１２の導電性アッセンブリ１６が、積層された単セル１０のセパレータ１２に積層される。これらの積層毎に、本実施形態では、レーザ光による接合を行う。

まず、図８および図９Ａに示すように、ベースとなるＸＹステージ２１上に、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１を設置するためのワーク台座２２を固定する。そして、ワーク台座２２のガイド軸２２ａ、２２ａに、１番目のセパレータ１２のガイド孔１７、１７を挿通し、１番目のセパレータ１２をワーク台座２２の上面に載置する。

次いで、１番目の電極アッセンブリ１１のガイド孔１７、１７にガイド軸２２ａ、２２ａを挿通し、１番目のセパレータ１２の上部に１番目の電極アッセンブリ１１を載置する。このあと、ガイド軸２２ａ、２２ａに、押圧部材２３のガイド孔１７、１７を挿通し、押圧部材２３をガイド軸２２ａ、２２ａに沿わせて下降させる。そして、油圧シリンダ（図示せず）を用いて、押圧部材２３の外周部２３Ａおよび内周部２３Ｂで、電極アッセンブリ１１を下方に押圧する。

具体的には、１番目のセパレータ１２の上部に、１番目の電極アッセンブリ１１を積層した状態で、押圧部材２３で、上方から１番目の電極アッセンブリ１１を押圧する。具体的には、外周部２３Ａは、１番目の電極アッセンブリ１１の外周部分を圧力Ｐ１で押圧し、内周部２３Ｂは、１番目の電極アッセンブリ１１の中央部を圧力Ｐ２で押圧する。押圧部材２３は平板状の板材で形成されているため、１番目の電極アッセンブリ１１に加わる圧力Ｐ１、Ｐ２は均一となる。圧力Ｐ１、Ｐ２は同じでもよいが、１番目の電極アッセンブリ１１の中央部は発電領域１４となっているため、内周部２３Ｂの圧力Ｐ２を小さくするように設定してもよい。

次に、押圧部材２３の外周部２３Ａと内周部２３Ｂと間の溝部２３ａを通して、レーザ接合装置２４からレーザ光Ｒを照射する。上部に位置する１番目の電極アッセンブリ１１では、レーザ光Ｒを照射された樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融する。レーザ接合装置２４のレーザ光Ｒが溝部２３ａに沿って照射されるようにＸＹステージ２１を移動させると、電極アッセンブリ１１は１番目のセパレータ１２に接合され、接合部となる接合ライン１８が形成される。

１番目のセパレータ１２と１番目の電極アッセンブリ１１との接合は、押圧部材２３で押圧された状態で、レーザ光Ｒによって樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融するため、接合ライン１８の接合状態は均一となる。また、１番目のセパレータ１２と１番目の電極アッセンブリ１１は、ガイド軸２２ａ、２２ａで正確に位置決めされているため、これらを精度よく接合できる。

押圧部材２３をワーク台座２２から取外すと、ワーク台座２２には１番目のセパレータ１２の上に、これ接合された１番目の電極アッセンブリ１１が配置されている。次に、図９Ｂに示すように、ワーク台座２２の上方から、１番目の電極アッセンブリ１１に、２番目のセパレータ１２を載置する。具体的には、ワーク台座２２のガイド軸２２ａ、２２ａに２番目のセパレータ１２のガイド孔１７、１７を挿通し、２番目のセパレータ１２を１番目の電極アッセンブリ１１上に載置する。

このあと、押圧部材２３のガイド孔１７、１７をガイド軸２２ａ、２２ａに挿通し、２番目のセパレータ１２を１番目の電極アッセンブリ１１上に載置した状態で、２番目のセパレータ１２を圧力Ｐ１、Ｐ２で押圧する。そして、押圧部材２３の溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射すると、２番目のセパレータ１２の下方にある１番目の電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂの樹脂が溶融する。レーザ接合装置２４のレーザ光Ｒが溝部２３ａに沿って照射されるようにＸＹステージ２１を移動させると、２番目のセパレータ１２は、１番目の電極アッセンブリ１１に接合され、接合ライン１８が形成される。これにより、上部に位置する２番目のセパレータ１２の接合も、位置精度よく、均一に行うことができる。

このようにして、１つの単セル１０が製造された後、同じ作業を繰り返して、この上に、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１、およびセパレータ１２の順に１枚ずつ積み重ねて接合する。すなわち、２番目以降の電極アッセンブリ１１にも、セパレータ１２、１２が結果として挟み込まれるように、これらの部材を1枚ずつ積層しつつ、積層した部材を押圧した状態でレーザ光Ｒにより接合する。これにより、燃料電池スタック１を製造することができる。なお、導電性アッセンブリ１６を設けない場合、すなわち、図３に示す構造である場合、セパレータ１２同士の間に、接合ライン１８に沿ってシール材を配置し、このシール材も、レーザ光Ｒによりセパレータ１２に溶着してもよい。

一方、図５の如く導電性アッセンブリ１６を設けた場合には、図１０Ａに示すように、２番目のセパレータ１２の上部に１番目の導電性アッセンブリ１６を載置する。このあと、ガイド軸２２ａ、２２ａを、押圧部材２３のガイド孔１７、１７に挿通し、押圧部材２３をガイド軸２２ａ、２２ａに沿わせて下降させる。そして、油圧シリンダ等により、押圧部材２３の外周部２３Ａおよび内周部２３Ｂで、１番目の導電性アッセンブリ１６を下方に押圧する。

次に、最上層に位置する導電性アッセンブリ１６が、押圧部材２３で均一に押圧された状態で、押圧部材２３の溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射する。これにより、導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂの樹脂が溶融し、導電性アッセンブリ１６が、２番目のセパレータ１２に接合される。

次に、図１０Ｂに示すように、図１０Ａに示す工程で最上層に位置する導電性アッセンブリ１６の上に、さらに３番目のセパレータ１２を接合する。この３番目のセパレータ１２は、次に積層される単セル１０の一部となるセパレータ１２である。

具体的には、３番目のセパレータ１２を、同様に、導電性アッセンブリ１６の上部に配置し、押圧部材２３で３番目のセパレータ１２を均一に押圧する。この状態で、押圧部材２３の溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射し、３番目のセパレータ１２を介して、導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂの樹脂を溶融させる。これにより、３番目のセパレータ１２を、導電性アッセンブリ１６に接合する。このような、一連の作業を繰り返すことにより、燃料電池スタック１を製造することができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池スタック１の製造方法では、セパレータ１２、電極アッセンブリ１１を１枚ずつ、順次積層し、各積層の際に、１枚ずつ均一に押圧した状態で、押圧部材２３に形成された溝部２３ａに沿ってレーザ光Ｒを照射する。これにより、これらの部材同士を１枚ずつ均一に精度よく接合することができる。さらに、電極アッセンブリ１１と、セパレータ１２とを積層しながら、単セル１０を製造しつつも、燃料電池スタック１も合わせて製造することができるので、効率良く燃料電池スタック１を製造することができる。

さらに、本実施形態では、押圧部材２３により、接合時にはセパレータ１２等は拘束されているため、レーザ光Ｒにより入熱された熱で、セパレータ１２等に反り等が発生することを抑えることができる。

また、単セル１０を構成するセパレータ１２にさらに次の単セル１０となるセパレータ１２を積層する際に、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、これらのセパレータ１２を、導電性アッセンブリ１６を介して接合すれば、以下の効果も期待できる。具体的には、導電性アッセンブリ１６は、導電性部材１６Ａを有するので、両側に配置された単セル１０のセパレータ１２、１２同士を導通することができる。また、導電性アッセンブリ１６の樹脂フレーム１６Ｂに、電極アッセンブリ１１の樹脂フレーム１１Ｂと同様の形状の樹脂フレームを用いることにより、部品点数を削減し、より安価に燃料電池スタック１を製造することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、製造装置２０では、ＸＹステージを用いてワーク台座２２を精密移動させてレーザ光Ｒで接合する例を示したが、ＸＹステージを使用せずにレーザ接合装置２４を押圧部材２３の溝部２３ａに沿って移動させて、接合するようにしてもよい。

１：燃料電池スタック、１０：単セル、１１：電極アッセンブリ、１１Ａ：膜電極接合体、１１Ｂ：樹脂フレーム、１１ａ：高分子電解質膜、１１ｄ：ガス拡散層、１２：セパレータ、１４：発電領域、１５ａ：第１開口部、１５ｂ：第２開口部、１５ｃ：第３開口部、１６：導電性アッセンブリ、１６Ａ：導電性部材、１６Ｂ：樹脂フレーム、１７：ガイド孔、１８：接合ライン（接合部）、２０：製造装置、２１：ＸＹステージ、２２：ワーク台座、２２ａ：ガイド軸、２３：押圧部材、２３Ａ：外周部、２３Ｂ：内周部、２４：レーザ接合装置、Ｒ：レーザ光

Claims (2)

1. ガス拡散層が両面に積層された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を周回するように前記膜電極接合体に固定された樹脂フレームと、を備えた電極アッセンブリを、一対のセパレータで挟持した単セルを、複数枚積層した構造の燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記製造方法は、前記燃料電池スタックの積層状態に応じて、前記セパレータ、前記電極アッセンブリ、および前記セパレータに形成されたガイド孔に、ワーク台座のガイド軸を挿通させることにより、前記セパレータ、前記電極アッセンブリ、および前記セパレータの順に積層することを繰り返しながら、前記燃料電池スタックを製造するものであり、
   前記電極アッセンブリを前記セパレータに積層する際には、前記電極アッセンブリを前記セパレータに積層した状態で押圧し、前記電極アッセンブリにレーザ光を照射することにより、前記樹脂フレームの樹脂を溶融させて、前記電極アッセンブリを前記セパレータに接合し、
   前記セパレータを前記電極アッセンブリに積層する際には、前記セパレータを前記電極アッセンブリに積層した状態で押圧し、前記セパレータにレーザ光を照射することにより、前記セパレータを介して前記樹脂フレームの樹脂を溶融させて、前記セパレータを前記電極アッセンブリに接合することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
2. 前記製造方法は、前記セパレータを、前記単セルを構成するセパレータにさらに積層する際に、積層する前記セパレータと、前記単セルを構成するセパレータとの間に、導電性アッセンブリを介して、前記セパレータ同士を接合する工程を備えており、
   前記導電性アッセンブリは、導電性部材と、前記導電性部材の外周を周回するように前記導電性部材に固定された樹脂フレームと、を備えており、
   前記セパレータ同士を接合する際に、前記単セルを構成するセパレータに、前記導電性アッセンブリを積層した状態で押圧し、前記導電性アッセンブリの樹脂フレームにレーザ光を照射することにより、前記導電性アッセンブリの前記樹脂フレームを、前記セパレータに接合し、
   前記導電性アッセンブリに前記セパレータを接合する際には、前記導電性アッセンブリに前記セパレータを積層した状態で押圧し、前記セパレータにレーザ光を照射することにより、前記セパレータを、前記導電性アッセンブリの前記樹脂フレームに接合することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法。

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