JP7130705B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数個の発電セルが積層されて構成される燃料電池スタックの製造方法に関する。

燃料電池スタックの発電セルは、電解質膜の一端面にアノード電極が配置され且つ他端面にカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）が一対のセパレータで挟持されることで構成される。燃料電池スタックは、この発電セルが所定個数で積層されることで構成され、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。

セパレータは、例えば、金属材からなる。この場合、セパレータを得るためのプレス成形によってビードシールを形成することがある。すなわち、ビードシールはセパレータの一部位であり、発電セルを積層したとき、ＭＥＡに指向して突出する形状となる。特許文献１に記載されるように、ビードシールの頂部にシール部材が設けられることもある。ビードシールの頂部ないしシール部材がＭＥＡに当接することで、セパレータとＭＥＡとの間から反応ガスや冷却媒体が漏洩することが防止される。

特開２０１８－１２５２５８号公報

本発明は上記した従来技術に関連してなされたもので、金属セパレータと電解質膜・電極構造体との間を一層良好にシールすることが可能な燃料電池スタックの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、電解質膜・電極構造体の一端面に配設された第１金属セパレータと、他端面に配設された第２金属セパレータと、
前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に臨む端面に設けられ、前記電解質膜・電極構造体に向かって突出したビードシールと、
前記ビードシールの頂部と前記電解質膜・電極構造体との間に介在するシール部材と、
を備える発電セルが複数個積層されることで構成される燃料電池スタックの製造方法であって、
複数個の前記発電セルを積層することで燃料電池スタックを得る積層工程と、
前記第１金属セパレータと前記第２金属セパレータとで形成される冷却媒体流路に圧力媒体を供給する圧力媒体供給工程と、
前記圧力媒体供給工程による前記圧力媒体の供給と並行して、前記シール部材を軟化させる温度に該シール部材を加温する加温工程と、
を有し、
前記圧力媒体供給工程で、前記圧力媒体を、前記燃料電池スタックの定常運転時に前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体の供給圧力以上の供給圧力で供給する燃料電池スタックの製造方法が提供される。

なお、電解質膜・電極構造体は、電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持した発電部のみからなるものであってもよいし、前記発電部と、該発電部の外周を囲繞する樹脂枠とを含む、いわゆる樹脂枠付電解質膜・電極構造体であってもよい。本発明における電解質膜・電極構造体は、双方の概念を含む。

また、圧力媒体を冷却媒体流路に常時流通するようにしてもよいし、冷却媒体流路に所定圧力で導入された圧力媒体を封入するようにしてもよい。本発明における「供給」には、いずれの場合も含まれる。

本発明によれば、燃料電池スタックの冷却媒体流路に対し、圧力媒体を、燃料電池スタックの定常運転時に冷却媒体流路に供給される冷却媒体の供給圧力以上の供給圧力で供給するようにしている。その結果、金属セパレータのビードシールに設けられたシール部材が、電解質膜・電極構造体に押し付けられる。これによりシール部材が電解質膜・電極構造体に密着することから、金属セパレータと電解質膜・電極構造体との間が十分にシールされる。すなわち、金属セパレータと電解質膜・電極構造体との間を一層良好にシールすることができる。

燃料電池スタックの積層方向に沿った一部省略平断面図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの概略分解斜視図である。 第２金属セパレータの概略正面図である。 圧力媒体供給工程を行うための装置構成を示す模式的平面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの製造方法の概略フローである。 冷却媒体流路に供給された圧力媒体によってシール部材が押圧されている状態を示す要部拡大模式図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

はじめに、図１～図３を参照し、燃料電池スタック１０の構成につき説明する。図１は、燃料電池スタック１０の積層方向に沿った一部省略平断面図である。燃料電池スタック１０は、複数個の発電セル１２の積層物を含む。すなわち、燃料電池スタック１０は、所定個数の発電セル１２が矢印Ａ方向（水平方向）に積層された後、積層方向に沿って所定の締付荷重が付与されることで構成される。なお、図１では、図面を簡素化して理解を容易にするべく３個の発電セル１２を示しているが、発電セル１２の個数は特にこれに限定されるものではない。

図２は、発電セル１２の概略分解斜視図である。この発電セル１２は、樹脂枠付電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付ＭＥＡ」とも表記する）１４と、該樹脂枠付ＭＥＡ１４の一端面側、他端面側のそれぞれに配設された第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂとを備える。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスが供給される。また、冷却媒体入口連通孔２０ａには、水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。燃料ガス出口連通孔２２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための流路である。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に沿って並列するように設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ｃ方向に沿って並列するように設けられる。

樹脂枠付ＭＥＡ１４は、発電部２８と、該発電部２８の外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材３０とを備える。この中の発電部２８は、電解質膜３２と、電解質膜３２の一端面に設けられたアノード電極３４と、電解質膜３２の他端面に設けられたカソード電極３６とを有する。

電解質膜３２は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）からなる。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３２の好適な素材としては、このようなフッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が挙げられる。電解質膜３２は、アノード電極３４とカソード電極３６に挟持される。

図１に示すように、アノード電極３４は、電解質膜３２の一端面に接合される第１電極触媒層３４ａと、第１電極触媒層３４ａに積層される第１ガス拡散層３４ｂとを有する。カソード電極３６も同様に、電解質膜３２の他端面に接合される第２電極触媒層３６ａと、第２電極触媒層３６ａに積層される第２ガス拡散層３６ｂとを有する。

樹脂枠部材３０は、その内周部が発電部２８の外周部に接合された平面形状が長方形の枠状の樹脂フィルム（サブガスケット）である。樹脂枠部材３０の厚みは、略一定である。図２において、樹脂枠部材３０の矢印Ｂ方向の一端部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。樹脂枠部材３０の矢印Ｂ方向の他端部には、燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。樹脂枠部材３０に設けられる連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂは、それぞれ、第１金属セパレータ１６ａ及び第２金属セパレータ１６ｂに設けられる連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂと同一形状に設定される。

樹脂枠部材３０の好適な素材としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン、フッ素化合物、ｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等の各種の樹脂材が挙げられる。

発電セル１２では、樹脂枠付ＭＥＡ１４が第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂにより挟持される。第１金属セパレータ１６ａ及び第２金属セパレータ１６ｂは、例えば、所定の金属材の断面を波形にプレス成形することで得られる。金属材の好適な例としては、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板が挙げられる。又は、このような金属材の表面に防食用の表面処理を施した金属薄板であってもよい。第１金属セパレータ１６ａと第２金属セパレータ１６ｂは、外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合される。

第１金属セパレータ１６ａの樹脂枠付ＭＥＡ１４に臨む面には、燃料ガス入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。すなわち、燃料ガス流路３８は、第１金属セパレータ１６ａと樹脂枠付ＭＥＡ１４との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図３に示すように、第２金属セパレータ１６ｂの樹脂枠付ＭＥＡ１４に臨む面には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。酸化剤ガス流路４０は、第２金属セパレータ１６ｂと樹脂枠付ＭＥＡ１４との間に形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図２において、互いに隣接する第１金属セパレータ１６ａと第２金属セパレータ１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路４２が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。なお、図２では、冷却媒体を「冷媒」と略記している。

第１金属セパレータ１６ａの発電部２８に臨む面には、流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）の漏れを防止するためのビードシール４４が第１金属セパレータ１６ａと一体にプレス成形によって設けられる。ビードシール４４は、樹脂枠付ＭＥＡ１４を構成する樹脂枠部材３０に向かって膨出（突出）するとともに、樹脂枠部材３０に気密及び液密に当接する。

ビードシール４４は、第１金属セパレータ１６ａの外周部を周回する外側ライン形状部４４ａと、外側ライン形状部４４ａよりも内側に設けられた内側ライン形状部４４ｂとを有する。また、各連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂの周囲には、波形状部４４ｗがそれぞれ形成される。波形状部４４ｗは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂの周囲に形成されたものを除き、内側ライン形状部４４ｂに連なる。波形状部４４ｗもまた、ビードシール４４に含まれる。

一方、図３に示すように、第２金属セパレータ１６ｂの発電部２８に臨む面には、ビードシール４６が第２金属セパレータ１６ｂと一体にプレス成形によって設けられる。ビードシール４６は、樹脂枠部材３０に向かって膨出するとともに、樹脂枠部材３０に気密及び液密に当接する。ビードシール４４とビードシール４６は、樹脂枠部材３０を介して対向する。換言すれば、樹脂枠部材３０は、ビードシール４４、４６に挟持される。

ビードシール４６は、第２金属セパレータ１６ｂの外周部を周回する外側ライン形状部４６ａと、外側ライン形状部４６ａよりも内側に設けられた内側ライン形状部４６ｂとを有する。また、各連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂの周囲には、波形状部４６ｗがそれぞれ形成される。波形状部４６ｗは、燃料ガス入口連通孔２２ａ、燃料ガス出口連通孔２２ｂの周囲に形成されたものを除き、内側ライン形状部４６ｂに連なる。

図１に戻り、ビードシール４４、４６は、第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂの平坦且つ薄肉な基部４８から発電セル１２の積層方向に指向して突出し、基部４８から離間する（樹脂枠部材３０に接近する）につれていわゆる先細りとなる形状をなす。ビードシール４４、４６の、基部４８から最も離間した部位には、平坦な頂部５０が形成される。ビードシール４４、４６の厚みや形状等は、必ずしも同一である必要はない。

ビードシール４４、４６の頂部５０には、シール部材５２が印刷又は塗布等により固着される。従って、ビードシール４４の頂部５０は、シール部材５２を介して樹脂枠部材３０に当接する。シール部材５２としては、例えば、ポリエステル樹脂やシリコーン樹脂等が好適に使用される。ここで、図１では、理解を容易にするためにシール部材５２を延展前の状態で示している。なお、シール部材５２を樹脂枠部材３０側に設けるようにしてもよい。

燃料電池スタック１０は、発電セル１２のアノード電極３４に電気的に接続された第１ターミナルプレート６０ａと、カソード電極３６に電気的に接続された第２ターミナルプレート６０ｂと、第１ターミナルプレート６０ａ、第２ターミナルプレート６０ｂの積層方向外方にそれぞれ配設された第１エンドプレート６２ａ、第２エンドプレート６２ｂとを備える。第１エンドプレート６２ａと第２エンドプレート６２ｂが図示しないタイロッド等の締付部材を介して緊締されることで、発電セル１２の積層物に所定の締付荷重が付与される。なお、第１ターミナルプレート６０ａと第２ターミナルプレート６０ｂには、例えば、モータ等の所定の外部負荷が電気的に接続される。

第１ターミナルプレート６０ａと第１エンドプレート６２ａの間、第２ターミナルプレート６０ｂと第２エンドプレート６２ｂの間には、それぞれ、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂが介挿される。従って、第１ターミナルプレート６０ａから第１エンドプレート６２ａへの導通、又は第２ターミナルプレート６０ｂから第２エンドプレート６２ｂへの導通が起こることはない。

ここで、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂの外寸は、第１ターミナルプレート６０ａ、第２ターミナルプレート６０ｂに比して大きく設定される。このため、積層方向端部に位置する第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂのビードシール４４、４６の一部は、第１ターミナルプレート６０ａ、第２ターミナルプレート６０ｂの外縁よりも外方に位置し、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂに対向する。

第１絶縁プレート６４ａに最近接して対向する第２金属セパレータ１６ｂのビードシール４６の頂部５０に設けられたシール部材５２は、第１絶縁プレート６４ａに接合される。同様に、第２絶縁プレート６４ｂに最近接して対向する第１金属セパレータ１６ａのビードシール４４の頂部５０に設けられたシール部材５２は、第２絶縁プレート６４ｂに接合される。

図２には、演算器７０（図４参照）とともに温度測定器を構成する熱電対７２が示されている。図示例では、熱電対７２を冷却媒体入口連通孔２０ａに挿入し、該冷却媒体入口連通孔２０ａ内を流通する圧力媒体（本実施の形態では、温水７４）の温度を測定するようにしているが、その他の連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂに熱電対７２を挿入するようにしてもよい。

後述する圧力媒体供給工程Ｓ２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２０ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂに対し、循環供給管７６の往路７６ａ及び復路７６ｂがそれぞれ接続される。往路７６ａには、タンク７８から温水７４を送液するポンプ８０と、温度調節器８２とが設けられる。温度調節器８２と演算器７０は制御部８４に電気的に接続されており、制御部８４は、温度測定器によって測定された温度に基づき、温度調節器８２を制御する。その結果として、温水７４の温度が調節される。

また、制御部８４はポンプ８０に対しても電気的に接続されており、該ポンプ８０の吐出圧力を制御する。なお、往路７６ａから冷却媒体入口連通孔２０ａを介して燃料電池スタック１０内に供給された温水７４が、冷却媒体流路４２を経由して冷却媒体出口連通孔２０ｂに流通し、循環供給管７６の復路７６ｂに流入することは勿論である。

往路７６ａ又は復路７６ｂには、図示しないバルブが設けられる。バルブが開放されると温水７４が循環供給管７６を流通することが可能となる一方、バルブが閉止されると温水７４の流通が停止される。

次に、基本的には上記のように構成される燃料電池スタック１０を得るための燃料電池スタック１０の製造方法につき説明する。

図５は、本実施の形態に係る製造方法の概略フローである。この製造方法は、発電セル１２を積層する積層工程Ｓ１と、冷却媒体流路４２に圧力媒体を供給する圧力媒体供給工程Ｓ２とを有する。

積層工程Ｓ１に先んじ、発電セル１２を作製する。すなわち、樹脂枠部材３０の内方開口に発電部２８を嵌合して樹脂枠付ＭＥＡ１４を得る。その後、樹脂枠付ＭＥＡ１４を第１金属セパレータ１６ａと第２金属セパレータ１６ｂで挟持する。勿論、この際には、各連通孔１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂを重ね合わせるとともに、樹脂枠部材３０とビードシール４４の頂部５０との間にシール部材５２を介在させる。これにより、発電セル１２が得られる。

積層工程Ｓ１では、この発電セル１２を、所定個数で積層する。積層方向一端部では第２金属セパレータ１６ｂが露呈し、他端部では第１金属セパレータ１６ａが露呈する。第２金属セパレータ１６ｂが露呈した端部に第１ターミナルプレート６０ａを配設する一方、第１金属セパレータ１６ａが露呈した端部に第２ターミナルプレート６０ｂを配設する。この時点で、第１金属セパレータ１６ａ及び第２金属セパレータ１６ｂの一部は、第１ターミナルプレート６０ａ、第２ターミナルプレート６０ｂの外縁よりも外方に位置する。

さらに、第１ターミナルプレート６０ａ、第２ターミナルプレート６０ｂの積層方向外方に、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂをそれぞれ配設する。この際には、第１絶縁プレート６４ａと、該第１絶縁プレート６４ａに最近接する第２金属セパレータ１６ｂのビードシール４６の頂部５０との間にシール部材５２を介在させる。同様に、第２絶縁プレート６４ｂと、該第２絶縁プレート６４ｂに最近接する第１金属セパレータ１６ａのビードシール４４の頂部５０との間にシール部材５２を介在させる。

その後、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂの積層方向外方に、第１エンドプレート６２ａ、第２エンドプレート６２ｂをそれぞれ配設する。これにより、燃料電池スタック１０が得られる。さらに、第１エンドプレート６２ａと第２エンドプレート６２ｂにタイロッド等の図示しない緊締部材を設け、該緊締部材を締め付けることで燃料電池スタック１０に所定の締付荷重を付与する。

次に、圧力媒体供給工程Ｓ２を行う。上記したように、本実施の形態では、圧力媒体として温水７４を燃料電池スタック１０に循環供給する。なお、循環供給に先んじ、制御部８４には、温水７４の設定温度と、ポンプ８０の吐出圧力とが入力される。制御部８４は、温水７４が設定温度を保持するように温度調節器８２を制御する。

ポンプ８０を付勢するとともに、循環供給管７６に設けられた前記バルブを開くと、タンク７８に予め貯留された純水の燃料電池スタック１０への送液が開始される。この際、ポンプ８０は、制御部８４に設定された吐出圧力で純水を吐出する。この吐出圧力が、純水の供給圧力となる。供給圧力は、燃料電池スタック１０の定常運転時に冷却媒体流路４２に供給される冷却媒体（水やエチレングリコール、オイル等）の供給圧力以上に設定される。この理由については、後述する。

純水は、循環供給管７６の往路７６ａに設けられた温度調節器８２内に流入する。上記したように、温度調節器８２は、制御部８４に入力された設定温度となるように、純水の温度を調節する。通常、室温の純水が加温されて７０～８０℃程度の温水７４となる。従って、冷却媒体入口連通孔２０ａ、冷却媒体流路４２、冷却媒体出口連通孔２０ｂには、温水７４が循環流通する。この循環流通に伴い、温水７４から燃料電池スタック１０に熱が伝達される。その結果、燃料電池スタック１０の温度が上昇するとともに、シール部材５２（図１参照）が加温される。なお、温水７４が、循環供給管７６の復路７６ｂを流通してタンク７８に戻ることは勿論である。

この加温により、シール部材５２が軟化する。すなわち、シール部材５２が容易に圧潰されるようになる。このように、シール部材５２を加温することにより、該シール部材５２を容易に変形させることができるようになる。

温水７４の温度は、熱電対７２によって検出され、演算器７０によって測定値に変換される。測定値は、制御部８４に送られる。温水７４の温度が設定温度を上回るような場合、制御部８４は、温度調節器８２による加温の度合いを低減するように制御する。従って、シール部材５２に対する過加熱が防止されるとともに、過加熱に起因してシール部材５２が熱変性（脆化等）を起こすことが回避される。

ここで、上記したように、冷却媒体流路４２には温水７４が流通している。そして、温水７４は、燃料電池スタック１０の定常運転時における冷却媒体の供給圧力以上の供給圧力で供給されている。このため、第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂの各ビードシール４４、４６には、図６に示すように、冷却媒体流路４２を、発電セル１２の積層方向に向かって押し広げようとする（ビードシール４４、４６を拡開しようとする）押圧力Ｆが作用する。

従って、シール部材５２が、樹脂枠付ＭＥＡ１４を構成する樹脂枠部材３０に押し付けられる。上記したようにシール部材５２は加温によって軟化しているので、容易に変形（圧潰）されて樹脂枠部材３０の面方向に延展する。換言すれば、シール部材５２の、樹脂枠部材３０に対する接触面積が大きくなる。

このように、シール部材５２を加熱して軟化させる一方、定常運転時に冷却媒体流路４２に流通する冷却媒体の供給圧力以上の供給圧力で温水７４を冷却媒体流路４２に供給することにより、シール部材５２を樹脂枠部材３０、換言すれば、樹脂枠付ＭＥＡ１４に密着させることができる。なお、温水７４の供給圧力が過度に小さいと、ビードシール４４、４６を十分に拡開させることが容易でなくなる。また、温水７４の供給圧力が過度に大きいと、ビードシール４４、４６や各部材が塑性変形を起こす懸念がある。以上を回避するべく、温水７４の供給圧力を、燃料電池スタック１０の定常運転時における冷却媒体の供給圧力の１．１～３倍程度に設定することが好ましい。

温水７４が所定時間流通されると、制御部８４の制御作用下にポンプ８０が停止されるとともに、前記バルブが停止される。これにより、温水７４の燃料電池スタック１０への供給が停止される。従って、燃料電池スタック１０に対する加温も終了する。その後、燃料電池スタック１０に対して冷却風を送る等の強制冷却を行うか、又は、自然冷却を行うことにより、燃料電池スタック１０を降温させる。

降温に伴い、シール部材５２が硬化する。ここで、シール部材５２は、樹脂枠部材３０の面方向に沿って延展し、樹脂枠部材３０に対する接触面積が十分に大きくなった形状である。換言すれば、シール部材５２は、樹脂枠部材３０に対して十分に密着している。この状態でシール部材５２が硬化するので、ビードシール４４、４６と樹脂枠部材３０（ないし樹脂枠付ＭＥＡ１４）との間が良好にシールされる。

以上については、第１絶縁プレート６４ａに最近接する第２金属セパレータ１６ｂと、第２絶縁プレート６４ｂに最近接する第１金属セパレータ１６ａに関しても同様である。すなわち、第１絶縁プレート６４ａに対し、該第１絶縁プレート６４ａに最近接する第２金属セパレータ１６ｂのビードシール４６に設けられたシール部材５２が強固に密着する。同様に、第２絶縁プレート６４ｂに対し、該第２絶縁プレート６４ｂに最近接する第１金属セパレータ１６ａのビードシール４４に設けられたシール部材５２が強固に密着する。このため、ビードシール４４、４６と、第１絶縁プレート６４ａ、第２絶縁プレート６４ｂとの間が良好にシールされる。

すなわち、本実施の形態によれば、第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂと、電解質膜・電極構造体の一種である樹脂枠付ＭＥＡ１４との間を良好にシールすることができる。同時に、第１金属セパレータ１６ａと第２絶縁プレート６４ｂとの間、第２金属セパレータ１６ｂと第１絶縁プレート６４ａとの間を十分にシールすることも可能である。

このようにして得られた燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、典型的には圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａには、水素含有ガス等の燃料ガス、典型的には水素ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２０ａには、水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第２金属セパレータ１６ｂの酸化剤ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に移動して発電部２８のカソード電極３６に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１６ａの燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、発電部２８のアノード電極３４に供給される。

従って、発電部２８では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層３６ａ及び第１電極触媒層３４ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、図２において、カソード電極３６を通過した余剰の酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３４を通過した余剰の燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２０ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１６ａと第２金属セパレータ１６ｂとの間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、特に発電部２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。

以上の過程において、第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂと樹脂枠部材３０との間は、シール部材５２によって強固にシールされている。従って、第１金属セパレータ１６ａ、第２金属セパレータ１６ｂと樹脂枠部材３０との間から、燃料ガスや酸化剤ガス（反応ガス）、ないし冷却媒体が漏洩することが有効に防止される。

本発明は上述した実施の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いて、種々の変更が可能である。

例えば、樹脂枠部材３０を用いることなく、電解質膜３２をアノード電極３４、カソード電極３６の外縁から延出させるようにしてもよい。この場合、電解質膜・電極構造体は、アノード電極３４、電解質膜３２、カソード電極３６で構成される発電部２８のみからなる。シール部材５２は、電解質膜３２の、アノード電極３４及びカソード電極３６の外縁から延出した部分に接合される。

この場合において、アノード電極３４及びカソード電極３６よりも外方に延出した電解質膜３２の両側に枠形状のフィルムを設け、該フィルムにシール部材５２を接合するようにしてもよい。

また、圧力媒体供給工程Ｓ２を、燃料電池スタック１０の慣らし運転（エージング）と同時に行うようにしてもよい。

さらに、圧力媒体の循環供給（常時流通）に代替し、圧力媒体を所定の供給圧力で燃料電池スタック１０内に供給した後、圧力媒体を燃料電池スタック１０内に封入して所定時間保持するようにしてもよい。また、圧力媒体は、温水７４等の液体に限定されるものではなく、空気や不活性ガス等の気体であってもよい。

さらにまた、上記の実施の形態では、冷却媒体流路４２に温水７４を流通することで燃料電池スタック１０を加温するようにしているが、燃料電池スタック１０に温風を接触させるようにしてもよい。このためには、例えば、温風炉を用いればよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…樹脂枠付電解質膜・電極構造体 １６ａ、１６ｂ…金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 １８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２０ａ…冷却媒体入口連通孔 ２０ｂ…冷却媒体出口連通孔
２２ａ…燃料ガス入口連通孔 ２２ｂ…燃料ガス出口連通孔
２８…発電部 ３０…樹脂枠部材
３２…電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…燃料ガス流路
４０…酸化剤ガス流路 ４２…冷却媒体流路
４４、４６…ビードシール ５０…頂部
５２…シール部材 ６０ａ、６０ｂ…ターミナルプレート
６２ａ、６２ｂ…エンドプレート ６４ａ、６４ｂ…絶縁プレート
７０…演算器 ７２…熱電対
７４…温水 ７６…循環供給管
８２…温度調節器 ８４…制御部

Claims (6)

1. 電解質膜・電極構造体の一端面に配設された第１金属セパレータと、他端面に配設された第２金属セパレータと、
   前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの前記電解質膜・電極構造体に臨む端面に設けられ、前記電解質膜・電極構造体に向かって突出したビードシールと、
   前記ビードシールの頂部と前記電解質膜・電極構造体との間に介在するシール部材と、
   を備える発電セルが複数個積層されることで構成される燃料電池スタックの製造方法であって、
   複数個の前記発電セルを積層することで燃料電池スタックを得る積層工程と、
   前記第１金属セパレータと前記第２金属セパレータとで形成される冷却媒体流路に圧力媒体を供給する圧力媒体供給工程と、
   前記圧力媒体供給工程による前記圧力媒体の供給と並行して、前記シール部材を軟化させる温度に該シール部材を加温する加温工程と、
   を有し、
   前記圧力媒体供給工程で、前記圧力媒体を、前記燃料電池スタックの定常運転時に前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体の供給圧力以上の供給圧力で供給する燃料電池スタックの製造方法。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックの製造方法において、
   前記燃料電池スタックが、積層された前記複数個の発電セルの積層方向端部に配設される絶縁プレートを含み、
   前記積層工程で、前記絶縁プレートに最近接する前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの前記ビードシールの頂部に設けられた前記シール部材を前記絶縁プレートに接合する燃料電池スタックの製造方法。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックの製造方法において、
   前記冷却媒体流路に供給された前記圧力媒体により、前記シール部材に対し、前記発電セルの積層方向に指向する押圧力を付与する燃料電池スタックの製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
   前記加温工程で、前記圧力媒体を加温し、
   前記圧力媒体供給工程で、加温された前記圧力媒体を前記冷却媒体流路に供給することで、前記シール部材を加温する燃料電池スタックの製造方法。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックの製造方法において、
   温度測定器によって前記圧力媒体の温度を測定するとともに、測定された前記圧力媒体の温度に基づいて加温を制御する燃料電池スタックの製造方法。
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
   前記加温工程で、前記燃料電池スタックを加温することで、前記シール部材を加温する燃料電池スタックの製造方法。
   

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