JP2016195106A - 燃料電池セル及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池セルの組み立て作業を、効率的に且つ低コストで良好に行うことを可能にする。【解決手段】燃料電池セル１０は、電解質膜・電極構造体２６ａの外周を周回して枠状絶縁部材４２が接続される枠付き電解質膜・電極構造体２６と、金属セパレータ２８とを有する。金属セパレータ２８は、互いに接合される第１バイポーラプレート４６及び第２バイポーラプレート４８を備えるとともに、枠状絶縁部材４２には、前記第１バイポーラプレート４６に抵抗溶接により溶着される溶着部４５が設けられる。【選択図】図３
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して枠状絶縁部材が接続される枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとを有する燃料電池セル及びその製造装置に関する。
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラプレート）によって挟持されることにより、燃料電池セルが構成されている。通常、燃料電池セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
通常、燃料電池スタックは、多数（数十〜数百）の燃料電池セルが積層されている。このため、例えば、特許文献１には、複数の燃料電池セルを容易且つ迅速に組み立てることができ、前記燃料電池セルの組み立て作業を効率的に行うことが可能な燃料電池及びその製造方法が開示されている。
この燃料電池では、電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを一体化する接合ピンは、前記セルユニットの一端側に係合する大径フランジ部を有している。さらに、接合ピンは、セルユニットの他端側に係合する頭部を有するとともに、大径フランジ部には、接合ピン吸引保持用の凹部が形成されている。そして、凹部を吸引することにより、接合ピンを位置決め保持した状態で、セルユニットを各接合ピンに対して一体に配設させることができる、としている。
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、燃料電池セルの組み立て作業を、効率的に且つ低コストで良好に行うことが可能な燃料電池セル及びその製造装置を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して枠状絶縁部材が接続される枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとを有している。
そして、金属セパレータは、互いに接合される第１バイポーラプレート及び第２バイポーラプレートを備えているとともに、枠状絶縁部材には、前記第１バイポーラプレートに抵抗溶接により溶着される溶着部が設けられている。
また、第１バイポーラプレートには、枠状絶縁部材の溶着部に接触する凸状部が形成されていることが好ましい。一方、第２バイポーラプレートには、第１バイポーラプレートとの積層方向から見て、凸状部に重なる位置に孔部が形成されていることが好ましい。
さらに、金属セパレータには、反応ガスのシールを行う反応ガスシールライン、及び冷却媒体のシールを行う冷媒シールラインが設けられていることが好ましい。その際、凸状部及び孔部は、反応ガスシールライン及び冷媒シールラインよりも外側に設けられていることが好ましい。
さらにまた、本発明に係る燃料電池セル製造装置は、枠付き電解質膜・電極構造体及び金属セパレータの順に載置される台座部と、溶着部に重ねられる凸状部に当接される抵抗溶接用電極部と、を備えている。そして、台座部は、少なくとも電解質膜・電極構造体が載置される絶縁性台座と、溶着部が載置される金属性台座と、を有している。
また、燃料電池セル製造装置では、金属性台座には、位置決めピンが設けられている一方、枠状絶縁部材及び金属セパレータには、前記位置決めピンが挿入される位置決め孔部が形成されていることが好ましい。
さらに、燃料電池セル製造装置では、枠付き電解質膜・電極構造体及び金属セパレータを挟んで台座部に対向する治具を備えていることが好ましい。その際、電源の一方の極は、抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、治具に接続されていることが好ましい。
さらにまた、燃料電池セル製造装置では、抵抗溶接用電極部は、第１の凸状部に当接される第１抵抗溶接用電極部と、前記第１の凸状部とは異なる第２の凸状部に当接される第２抵抗溶接用電極部と、を備えていることが好ましい。その際、電源の一方の極は、第１抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、第２抵抗溶接用電極部に接続されていることが好ましい。
また、燃料電池セル製造装置では、抵抗溶接用電極部は、互いに絶縁された状態で、同一の凸状部に同時に当接される第１抵抗溶接用電極部及び第２抵抗溶接用電極部を備えていることが好ましい。その際、電源の一方の極は、第１抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、第２抵抗溶接用電極部に接続されていることが好ましい。
本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周に接続される枠状絶縁部材には、第１バイポーラプレートに抵抗溶接により溶着される溶着部が設けられている。このため、例えば、高周波加熱により溶着（接合）する場合のような冷却処理が不要になり、溶着時間が有効に短尺化される。しかも、溶着部に専用の部材を設ける必要がなく、構成の簡素化を図ることができる。これにより、燃料電池セルの組み立て作業を、効率的に且つ低コストで良好に行うことが可能になる。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池セル１０は、水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に複数個積層されて燃料電池スタック１２を構成する。燃料電池スタック１２は、例えば、車載用燃料電池スタックを構成しており、図示しない燃料電池電気自動車等に搭載される。
燃料電池スタック１２では、燃料電池セル１０の積層方向一端には、ターミナルプレート１４ａ、インシュレータ１６ａ及びエンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。燃料電池セル１０の積層方向他端には、ターミナルプレート１４ｂ、インシュレータ１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。ターミナルプレート１４ａ、１４ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２０ａ、２０ｂが設けられる。端子部２０ａ、２０ｂは、エンドプレート１８ａ、１８ｂの外部に突出する。
エンドプレート１８ａ、１８ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２２が配置される。各連結バー２２は、両端をエンドプレート１８ａ、１８ｂの内面にボルト２４を介して固定され、複数の積層された燃料電池セル１０に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１２では、エンドプレート１８ａ、１８ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に複数個の燃料電池セル１０を収容するように構成してもよい。
図２に示すように、燃料電池セル１０は、枠付き電解質膜・電極構造体（枠付きＭＥＡ）２６と、金属セパレータ２８とを有する。枠付き電解質膜・電極構造体２６と金属セパレータ２８とが交互に積層されて燃料電池スタック１２が構成される。燃料電池セル１０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３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。
酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
燃料電池セル１０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、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
図２及び図３に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体２６は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６ａを備える。電解質膜・電極構造体２６ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード電極３８及びカソード電極４０とを有する。固体高分子電解質膜３６は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。
図３に示すように、アノード電極３８は、固体高分子電解質膜３６の一方の面３６ａに接合される第１電極触媒層３８ａと、前記第１電極触媒層３８ａに積層される第１ガス拡散層３８ｂとを有する。第１ガス拡散層３８ｂは、固体高分子電解質膜３６及び第１電極触媒層３８ａよりも大きな外形寸法を有するが、前記固体高分子電解質膜３６及び前記第１電極触媒層３８ａと同一の外形寸法を有してもよい。
カソード電極４０は、固体高分子電解質膜３６の他方の面３６ｂに接合される第２電極触媒層４０ａと、前記第２電極触媒層４０ａに積層される第２ガス拡散層４０ｂとを有する。第２ガス拡散層４０ｂは、固体高分子電解質膜３６及び第２電極触媒層４０ａよりも大きな外形寸法を有するが、前記固体高分子電解質膜３６及び前記第２電極触媒層４０ａと同一の外形寸法を有してもよい。なお、アノード電極３８とカソード電極４０の平面の大きさは、互いに異なっていてもよい。
第１電極触媒層３８ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層３８ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第２ガス拡散層４０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層３８ｂ及び第２ガス拡散層４０ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第１電極触媒層３８ａ及び第２電極触媒層４０ａは、固体高分子電解質膜３６の両方の面３６ａ、３６ｂに形成される。
枠付き電解質膜・電極構造体２６は、電解質膜・電極構造体２６ａの外周を周回して枠状絶縁部材４２が接続される。枠状絶縁部材４２の内周縁部は、第１ガス拡散層３８ｂ及び第２ガス拡散層４０ｂの外周縁部に重なり部を有して挟持される。なお、枠状絶縁部材４２と第１ガス拡散層３８ｂ及び第２ガス拡散層４０ｂとの接合構造は、本構造に限定されるものではなく、良好に接合されていれば、如何なる構造を採用してもよい。枠状絶縁部材４２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）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。枠状絶縁部材４２は、その他、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）、変性ポリオレフィン、又は樹脂フィルムに限らず、エラストマー材となるＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、アクリルゴム等のシール材、クッション材、パッキン材で構成してもよい。
図２に示すように、枠状絶縁部材４２は、金属セパレータ２８と略同一の外形寸法を有する。なお、枠状絶縁部材４２は、金属セパレータ２８より外形寸法が大きく構成されてもよい。枠状絶縁部材４２には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。枠状絶縁部材４２の一方の対角位置には、ＭＥＡ位置決め用の一対の円形状位置決め孔部４４が形成される。
枠状絶縁部材４２には、後述する第１バイポーラプレート４６に抵抗溶接により溶着される溶着部４５が設けられる。溶着部４５は、枠状絶縁部材４２の他方の対角位置及び各位置決め孔部４４に近接する位置に、合計４カ所に設定される。なお、溶着部４５の個数や位置は、種々変更可能である。
金属セパレータ２８は、互いに接合される第１バイポーラプレート４６及び第２バイポーラプレート４８からなる。第１バイポーラプレート４６及び第２バイポーラプレート４８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、チタン鋼板あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板の断面を凹凸状にプレス成形して構成される。
図４に示すように、第１バイポーラプレート４６の電解質膜・電極構造体２６ａのアノード電極３８に向かう面４６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路５０が設けられる。燃料ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。
第１バイポーラプレート４６の一方の対角位置（燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂ近傍）には、円形状位置決め孔部５２ａ、５２ａが形成される。位置決め孔部５２ａは、枠状絶縁部材４２の位置決め孔部４４と、積層方向から見て、同軸上に配置されるとともに、前記位置決め孔部４４よりも大径に形成される。第１バイポーラプレート４６には、積層方向から見て、枠状絶縁部材４２の各溶着部４５に接触する複数個の円形状凸状部５３が、例えば、４カ所（数は限定されない）に設けられる（図３参照）。
図２に示すように、第１バイポーラプレート４６の面４６ｂの外周は、第２バイポーラプレート４８の面４８ｂの外周と溶接やロウ付け等により液密に接合され、これらの間には、冷却媒体流路５４が形成される。冷却媒体流路５４は、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂに連通し、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝を有する。
第２バイポーラプレート４８の電解質膜・電極構造体２６ａのカソード電極４０に向かう面４８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路５６が設けられる。酸化剤ガス流路５６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。
図５に示すように、第２バイポーラプレート４８の一方の対角位置（燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂ近傍）には、円形状位置決め孔部５２ｂ、５２ｂが形成される。位置決め孔部５２ｂは、第１バイポーラプレート４６の位置決め孔部５２ａと、積層方向から見て、同軸上に配置されるとともに、前記位置決め孔部５２ａと同一の開口径に形成される。第２バイポーラプレート４８には、積層方向から見て、第１バイポーラプレート４６の各凸状部５３に重なる位置に孔部５８が形成される。
第１バイポーラプレート４６の面４６ａ、４６ｂには、この第１バイポーラプレート４６の外周縁部を周回して第１シール部材６０が一体的又は個別に設けられる。第２バイポーラプレート４８の少なくとも面４８ａには、この第２バイポーラプレート４８の外周縁部を周回して第２シール部材６２が一体的又は個別に設けられる。
第１シール部材６０及び第２シール部材６２には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
図４に示すように、第１シール部材６０は、第１バイポーラプレート４６の面４６ａに、燃料ガス（反応ガス）のシールを行う燃料ガス（反応ガス）シールライン６０ａを設ける。図２に示すように、第１シール部材６０は、第１バイポーラプレート４６の面４６ｂに、冷却媒体のシールを行う冷媒シールライン６０ｂを設ける。
図２及び図５に示すように、第２シール部材６２は、第２バイポーラプレート４８の面４８ａに、酸化剤ガス（反応ガス）のシールを行う酸化剤ガス（反応ガス）シールライン６２ａを設ける。凸状部５３及び孔部５８は、燃料ガスシールライン６０ａ、冷媒シールライン６０ｂ及び酸化剤ガスシールライン６２ａよりも外側に設けられる。位置決め孔部４４、５２ａ及び５２ｂは、燃料ガスシールライン６０ａ、冷媒シールライン６０ｂ及び酸化剤ガスシールライン６２ａよりも外側に設けられる。
図６は、燃料電池セル１０を製造する本発明の第１の実施形態に係る製造装置７０の要部分解斜視説明図である。
製造装置７０は、枠付き電解質膜・電極構造体２６及び金属セパレータ２８の順に載置される台座部（下部治具）７２を備える。図６及び図７に示すように、台座部７２は、少なくとも電解質膜・電極構造体２６ａが載置される絶縁性台座７４と、枠状絶縁部材４２の溶着部４５が載置される金属性台座７６とを有する。絶縁性台座７４は、種々の絶縁樹脂により構成可能である。好ましくは、絶縁性台座７４は、燃料ガスシールライン６０ａ及び酸化剤ガスシールライン６２ａの外方で且つ溶着部４５の内方に外周端部が配置される（図７参照）。
金属性台座７６には、一方の対角位置に位置決めピン７８が一体に設けられるとともに、前記位置決めピン７８は、位置決め孔部４４、５２ａ及び５２ｂに挿入される。図８に示すように、位置決め孔部４４の開口径は、位置決めピン７８の直径と同等に設定される一方、位置決め孔部５２ａ、５２ｂの開口径は、前記位置決めピン７８の直径よりも大径に設定される。位置決めピン７８の外周と位置決め孔部５２ａ、５２ｂの内周との間には、絶縁樹脂製のカラー部材８２が外装される。カラー部材８２は、金属セパレータ２８の厚さ寸法よりも長尺な軸長を有する。
図６に示すように、製造装置７０は、金属セパレータ２８上に載置される上部治具８４を備える。上部治具８４は、金属セパレータ２８と同等の外形寸法を有し、導電性金属で形成される。上部治具８４には、位置決め孔部５２ａ及び５２ｂと同軸上で且つこれらと同等の開口径を有する位置決め孔部８６が形成される。上部治具８４には、第２バイポーラプレート４８の孔部５８と同軸上に形成される複数個の孔部８８が形成される。孔部８８は、孔部５８よりも大きな開口径を有することが好ましい。
枠状絶縁部材４２の溶着部４５に重ねられる第１バイポーラプレート４６の凸状部５３には、凹部側から抵抗溶接用電極部９０が当接されるとともに、前記電極部９０は、上部治具８４に接続される。電極部９０には、導線９４を介して電源９２の一方の極が電気的に接続され、上部治具８４には、導線９５を介して前記電源９２の他方の極が電気的に接続される。電極部９０は、円柱形状を有し、直径寸法は、孔部５８の開口径よりも小径に設定される。
次いで、製造装置７０を用いて燃料電池セル１０を製造する作業について、以下に説明する。
先ず、第１バイポーラプレート４６の外周及び第２バイポーラプレート４８の外周が互いに接合（例えば、溶接やロウ付け）されて、金属セパレータ２８が一体に得られる。一方、枠付き電解質膜・電極構造体２６では、例えば、アノード電極３８に固体高分子電解質膜３６が接合された状態で、前記アノード電極３８とカソード電極４０とで枠状絶縁部材４２が挟持されるように、接着される。なお、固体高分子電解質膜３６は、予めカソード電極４０に接合されてもよく、又は、枠状絶縁部材４２に固定されていてもよい。これにより、枠付き電解質膜・電極構造体２６が作製される。
次に、図６〜図８に示すように、製造装置７０を構成する台座部７２上に枠付き電解質膜・電極構造体２６が載置されるとともに、前記枠付き電解質膜・電極構造体２６上に金属セパレータ２８が載置される。その際、図８に示すように、金属性台座７６の位置決めピン７８は、枠付き電解質膜・電極構造体２６の枠状絶縁部材４２に設けられた位置決め孔部４４に嵌合して前記枠付き電解質膜・電極構造体２６の位置決めを行っている。
さらに、位置決めピン７８には、カラー部材８２が外装された後、前記カラー部材８２は、第１バイポーラプレート４６の位置決め孔部５２ａ及び第２バイポーラプレート４８の位置決め孔部５２ｂに一体に挿入される。このため、金属セパレータ２８は、位置決めピン７８及びカラー部材８２を介して枠付き電解質膜・電極構造体２６上に位置決め配置される。
そして、金属セパレータ２８上には、上部治具８４が載置される。図８に示すように、上部治具８４は、位置決め孔部８６にカラー部材８２の上部側が長さＳに亘って挿入され、台座部７２に対して位置決めされる。図７に示すように、先端が球面形状である電極部９０は、第２バイポーラプレート４８の孔部５８を通って第１バイポーラプレート４６の凸状部５３に凹部側から当接される。
この状態で、電源９２がオンされると、第１バイポーラプレート４６の凸状部５３にエネルギが集中され、前記凸状部５３が加熱されて枠状絶縁部材４２の溶着部４５が溶融され、該凸状部５３に溶着される。すなわち、第１バイポーラプレート４６の凸状部５３と枠状絶縁部材４２の溶着部４５とは、抵抗溶接、例えば、マイクロスポット溶接により接合される。
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体２６ａの外周に接続される枠状絶縁部材４２には、第１バイポーラプレート４６に抵抗溶接により溶着される溶着部４５が設けられている。このため、例えば、高周波加熱により溶着（接合）する場合のような冷却処理が不要になり、溶着時間が有効に短尺化される。しかも、溶着部４５に専用の部材を設ける必要がなく、構成の簡素化を図ることができる。
具体的には、第１の実施形態では、図７に示すように、第１バイポーラプレート４６には、枠状絶縁部材４２の溶着部４５に接触する凸状部５３が形成されている。一方、第２バイポーラプレート４８には、第１バイポーラプレート４６との積層方向から見て、凸状部５３に重なる位置に孔部５８が形成されている。これにより、燃料電池セル１０の組み立て作業を、効率的に且つ低コストで良好に行うことが可能になるという効果が得られる。
さらに、図３に示すように、金属セパレータ２８には、燃料ガスシールライン６０ａ、酸化剤ガスシールライン６２ａ及び冷媒シールライン６０ｂが設けられている。そして、凸状部５３及び孔部５８は、燃料ガスシールライン６０ａ、酸化剤ガスシールライン６２ａ及び冷媒シールライン６０ｂもよりも外側に設けられている。このため、抵抗溶接時に発生し易い塵埃等が、燃料ガス流路５０、酸化剤ガス流路５６又は冷却媒体流路５４に進入することを可及的に抑制することができる。
さらにまた、図７に示すように、絶縁性台座７４は、燃料ガスシールライン６０ａ及び酸化剤ガスシールライン６２ａの外方まで延び且つ溶着部４５の内方に端部が配置される一方、金属性台座７６には、前記溶着部４５が載置されている。従って、特に、電解質膜・電極構造体２６ａに電流が流れることがなく、前記電解質膜・電極構造体２６ａを良好に保護することが可能になる。しかも、金属性台座７６を用いることにより、溶着時の熱が伝導し易く冷却機能を促進させることができ、作業の効率化が一層容易に図られる。
次いで、このように構成される燃料電池セル１０の動作について、以下に説明する。
図１に示すように、エンドプレート１８ａでは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａには、純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。
図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２バイポーラプレート４８の酸化剤ガス流路５６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体２６ａのカソード電極４０に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１バイポーラプレート４６の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガス流路５０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体２６ａのアノード電極３８に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体２６ａでは、図３に示すように、アノード電極３８に供給される燃料ガスと、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層３８ａ及び第２電極触媒層４０ａ内で電気化学反応により消費される。これにより、燃料電池セル１０の発電が行われる。
次いで、図２に示すように、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される。同様に、アノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに排出される。
一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、互いに接合された第１バイポーラプレート４６と第２バイポーラプレート４８との間に形成された冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体流路５４では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動することにより、電解質膜・電極構造体２６ａの発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂに排出される。
図９は、燃料電池セル１０を製造する本発明の第２の実施形態に係る製造装置１００の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る製造装置７０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
製造装置１００は、シリーズスポット溶接装置であり、例えば、一対の電極部９０ａ、９０ｂを備える。電極部９０ａは、導線９４ａを介して電源９２の一方の極に電気的に接続され、電極部９０ｂは、導線９４ｂを介して前記電源９２の他方の極に電気的に接続される。台座部７２を構成する金属性台座７６は、バックアップ電極として機能する。
このように構成される第２の実施形態では、一対の電極部９０ａ、９０ｂは、第２バイポーラプレート４８の各孔部５８を通って第１バイポーラプレート４６の各凸状部５３に凹部側から当接される。従って、各凸状部５３が加熱されて枠状絶縁部材４２の各溶着部４５が溶融され、該凸状部５３に溶着されている。これにより、同時に２カ所の溶着部４５に溶着処理を施すことができ、作業効率が一層向上するという効果が得られる。
なお、第２の実施形態では、一対の電極部９０ａ、９０ｂを備えているが、これに限定されるものではなく、３個以上の電極部を用いてもよい。
図１０は、燃料電池セル１０を製造する本発明の第３の実施形態に係る製造装置１１０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る製造装置７０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
製造装置１１０は、シリーズスポット溶接装置であり、抵抗溶接用電極部として、例えば、一対の電極部１１２ａ、１１２ｂを備える。電極部１１２ａは、導線９４ａを介して電源９２の一方の極に電気的に接続され、電極部１１２ｂは、導線９４ｂを介して前記電源９２の他方の極に電気的に接続される。
電極部１１２ａ、１１２ｂは、図１１に示すように、それぞれ断面半円形状を有し、互いに隣接して全体的に円形状に配置される。図示しないが、電極部１１２ａ、１１２ｂは、互いに絶縁された状態で、配置される。
このように構成される第３の実施形態では、一対の電極部１１２ａ、１１２ｂは、互いに隣接した状態で、第２バイポーラプレート４８の同一の孔部５８を通って第１バイポーラプレート４６の凸状部５３に凹部側から当接される。従って、凸状部５３は、一対の電極部１１２ａ、１１２ｂにより加熱されて枠状絶縁部材４２の溶着部４５が溶融され、該凸状部５３に溶着されている。
他の凸状部５３では、上記の凸状部５３と同様に、それぞれ一対の電極部１１２ａ、１１２ｂによって溶着部４５が接合される。これにより、同時に４カ所の溶着部４５に溶着処理を施すことができ、作業効率が一層向上するという効果が得られる。
なお、第１〜第３の実施形態では、第２バイポーラプレート４８に孔部５８を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、孔部５８に代えて凹状の切り欠き部を設けてもよい。また、第２バイポーラプレート４８の外形寸法を、第１バイポーラプレート４６の外形寸法よりも小さく設定し、前記第２バイポーラプレート４８の外方に凸状部５３を設けることも可能である。すなわち、第２バイポーラプレート４８には、孔部や切り欠き部等の加工が不要である。
１０…燃料電池セル １２…燃料電池スタック
２６…枠付き電解質膜・電極構造体 ２６ａ…電解質膜・電極構造体
２８…金属セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード電極 ４０…カソード電極
４２…枠状絶縁部材
４４、５２ａ、５２ｂ、８６…位置決め孔部
４５…溶着部 ４６、４８…バイポーラプレート
５０…燃料ガス流路 ５３…凸状部
５４…冷却媒体流路 ５６…酸化剤ガス流路
５８、８８…孔部 ６０、６２…シール部材
６０ａ…燃料ガスシールライン ６０ｂ…冷媒シールライン
６２ａ…酸化剤ガスシールライン ７０、１００、１１０…製造装置
７２…台座部 ７４…絶縁性台座
７６…金属性台座 ７８…位置決めピン
８２…カラー部材 ８４…上部治具
９０、９０ａ、９０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…電極部
９２…電源
２６…枠付き電解質膜・電極構造体 ２６ａ…電解質膜・電極構造体
２８…金属セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード電極 ４０…カソード電極
４２…枠状絶縁部材
４４、５２ａ、５２ｂ、８６…位置決め孔部
４５…溶着部 ４６、４８…バイポーラプレート
５０…燃料ガス流路 ５３…凸状部
５４…冷却媒体流路 ５６…酸化剤ガス流路
５８、８８…孔部 ６０、６２…シール部材
６０ａ…燃料ガスシールライン ６０ｂ…冷媒シールライン
６２ａ…酸化剤ガスシールライン ７０、１００、１１０…製造装置
７２…台座部 ７４…絶縁性台座
７６…金属性台座 ７８…位置決めピン
８２…カラー部材 ８４…上部治具
９０、９０ａ、９０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…電極部
９２…電源
Claims (9)
- 電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して枠状絶縁部材が接続される枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとを有する燃料電池セルであって、
前記金属セパレータは、互いに接合される第１バイポーラプレート及び第２バイポーラプレートを備えているとともに、
前記枠状絶縁部材には、前記第１バイポーラプレートに抵抗溶接により溶着される溶着部が設けられていることを特徴とする燃料電池セル。 - 請求項１記載の燃料電池セルにおいて、前記第１バイポーラプレートには、前記枠状絶縁部材の前記溶着部に接触する凸状部が形成されている一方、
前記第２バイポーラプレートには、前記第１バイポーラプレートとの積層方向から見て、前記凸状部に重なる位置に孔部が形成されていることを特徴とする燃料電池セル。 - 請求項２記載の燃料電池セルにおいて、前記金属セパレータには、反応ガスのシールを行う反応ガスシールライン、及び冷却媒体のシールを行う冷媒シールラインが設けられているとともに、
前記凸状部及び前記孔部は、前記反応ガスシールライン及び前記冷媒シールラインよりも外側に設けられていることを特徴とする燃料電池セル。 - 電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して枠状絶縁部材が接続される枠付き電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとを有しており、前記金属セパレータは、互いに接合される第１バイポーラプレート及び第２バイポーラプレートを備えているとともに、前記第１バイポーラプレートには、前記枠状絶縁部材の溶着部に接触する凸状部が形成されている一方、前記第２バイポーラプレートには、前記第１バイポーラプレートとの積層方向から見て、前記凸状部に重なる位置に孔部が形成されている燃料電池セルを製造するための燃料電池セル製造装置であって、
前記枠付き電解質膜・電極構造体及び前記金属セパレータの順に載置される台座部と、
前記溶着部に重ねられる前記凸状部に当接される抵抗溶接用電極部と、
を備え、
前記台座部は、少なくとも前記電解質膜・電極構造体が載置される絶縁性台座と、
前記溶着部が載置される金属性台座と、
を有することを特徴とする燃料電池セル製造装置。 - 請求項４記載の燃料電池セル製造装置であって、前記金属セパレータには、反応ガスのシールを行う反応ガスシールライン、及び冷却媒体のシールを行う冷媒シールラインが設けられているとともに、
前記凸状部及び前記孔部は、前記反応ガスシールライン及び前記冷媒シールラインよりも外側に設けられていることを特徴とする燃料電池セル製造装置。 - 請求項４又は５記載の燃料電池セル製造装置であって、前記金属性台座には、位置決めピンが設けられている一方、
前記枠状絶縁部材及び前記金属セパレータには、前記位置決めピンが挿入される位置決め孔部が形成されていることを特徴とする燃料電池セル製造装置。 - 請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セル製造装置であって、前記枠付き電解質膜・電極構造体及び前記金属セパレータを挟んで前記台座部に対向する治具を備えており、
電源の一方の極は、前記抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、前記治具に接続されていることを特徴とする燃料電池セル製造装置。 - 請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セル製造装置であって、前記抵抗溶接用電極部は、第１の凸状部に当接される第１抵抗溶接用電極部と、
前記第１の凸状部とは異なる第２の凸状部に当接される第２抵抗溶接用電極部と、
を備えており、
電源の一方の極は、前記第１抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、前記第２抵抗溶接用電極部に接続されていることを特徴とする燃料電池セル製造装置。 - 請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セル製造装置であって、前記抵抗溶接用電極部は、互いに絶縁された状態で、同一の前記凸状部に同時に当接される第１抵抗溶接用電極部及び第２抵抗溶接用電極部を備えており、
電源の一方の極は、前記第１抵抗溶接用電極部に接続され、且つ、前記電源の他方の極は、前記第２抵抗溶接用電極部に接続されていることを特徴とする燃料電池セル製造装置。
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