JP5151132B2 - 燃料電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法および製造装置に関する。

燃料電池は、積層された単セルから構成される。単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を一対のセパレータによって挟持した構造を有し、隣接する単セルのセパレータは、シール材を兼ねる接着材によって接合されている。

接合されるセパレータが、反りやうねり等の変形を有する場合、接着材の分布が不均一となり、シール性の確保が困難となる。そのため、接合前に、セパレータを、開口部を有する支持体に配置し、開口部を介して減圧吸引し、セパレータを吸着することで、セパレータの変形を矯正している（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開２００３−２２８１７号公報 特開２００３−２２８２７号公報

しかし、支持体の開口部の近傍がシールされ、開口部に相対するセパレータの隣接部位が局所的に吸着されることで、変形が矯正されており、良好な矯正効果を達成するためには、開口部面積を増加させる必要がある。

セパレータの隣接部位は、周縁部の平面部に位置し、発電に寄与しないため、開口部面積の増加は、出力密度向上の妨げとなる。また、開口部の大型化は、セパレータを局所的に凹ませ、塑性変形させることで、接合されるセパレータの間に隙間を生じさせる。そのため、接着材の分布が不均一となり、シール性の確保が困難となる虞がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な出力密度およびシール性を有する燃料電池の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構造を有する単セルが積層されることによって形成され、かつ、隣接する単セルのセパレータ同士が接着材によって接合されている燃料電池の製造方法であって、
接合される前記セパレータの一方および他方の変形を、矯正するための矯正工程、
矯正された前記セパレータの少なくとも一方に、前記接着材を被覆するための被覆工程、
前記接着材を介して、前記セパレータの一方および他方を重ねるための積層工程、および、
前記接着材を加熱硬化することで、前記セパレータの一方および他方を接合するための接合工程を有しており、
前記矯正工程は、
開口部が形成された支持体に対し、前記セパレータを前記開口部と対向するように配置するためのセパレータ配置段階、
前記セパレータの周縁部を覆うように、枠状シート材を配置するためのシート材配置段階、および、
前記開口部を介して前記セパレータと前記支持体との間を減圧吸引し、前記枠状シート材によって前記セパレータの周縁部をシールすることで、前記セパレータを前記支持体に吸着するための減圧吸引段階を有する
ことを特徴とする燃料電池の製造方法である。

上記目的を達成するための請求項８に記載の発明は、
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構造を有する単セルが積層されることによって形成され、かつ、隣接する単セルのセパレータ同士が接着材によって接合されている燃料電池の製造装置であって、
接合される前記セパレータの一方および他方の変形を、矯正するための矯正手段、
矯正された前記セパレータの少なくとも一方に、前記接着材を被覆するための被覆手段、
前記接着材を介して、前記セパレータの一方および他方を重ねるための積層手段、および、
前記接着材を加熱硬化することで、前記セパレータの一方および他方を接合するための接合手段を有しており、
前記矯正手段は、
開口部を有しかつ前記開口部と対向するように前記セパレータが配置される支持体、
前記セパレータの周縁部を覆うように配置される枠状シート材、および、
前記開口部を介して前記セパレータと前記支持体との間を減圧吸引し、前記枠状シート材によって前記セパレータの周縁部をシールすることで、前記セパレータを前記支持体に吸引するための減圧吸引手段
を有することを特徴とする燃料電池の製造装置である。

請求項１に記載の発明によれば、矯正工程において、支持体の開口部を介して減圧吸引することにより、枠状シート材によってセパレータの周縁部がシールされ、セパレータの全体が吸着されることで、セパレータの変形が全体に渡って矯正される。セパレータの周縁部のシールは、開口部の位置および形状に依存しないため、セパレータにおける発電に寄与しない部位の増加を抑制しつつ、良好な矯正効果を達成することができる。また、セパレータは、全体が吸着されるため、局所的な塑性変形は生じない。

そのため、被覆工程において被覆され、積層工程において重ねられたセパレータの間に位置する接着材の分布は、均一であり、接合工程において、接着材を加熱硬化することで接合されるセパレータの間に、隙間を生じないため、良好なシール性を確保することが容易である。

以上のように、良好な出力密度およびシール性を有する燃料電池の製造方法を提供することができる。

請求項８に記載の発明によれば、支持体の開口部を介し、減圧吸引手段によって減圧吸引し、枠状シート材によってセパレータの周縁部をシールし、セパレータの全体を吸着することで、セパレータの変形を、全体に渡って矯正することが可能である。セパレータの周縁部のシールは、開口部の位置および形状に依存しないため、セパレータにおける発電に寄与しない部位の増加を抑制しつつ、良好な矯正効果を達成することができる。また、セパレータは、全体が吸着されるため、局所的な塑性変形は生じない。

そのため、被覆手段によって被覆され、積層手段によって重ねられたセパレータの間に位置する接着材の分布を、均一とし、接合手段よって接着材を加熱硬化することで接合されるセパレータの間に、隙間を生じさせないことによって、良好なシール性を確保することが容易である。

以上のように、良好な出力密度およびシール性を有する燃料電池の製造装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池を説明するための斜視図である。

燃料電池１０は、複数のセルが積層されたスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、適用が好ましい。

スタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンド板７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板等のガス不透過性を有する導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子３５，４５が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。

エンド板７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンド板７０は、燃料ガス（例えば、水素）、酸化剤ガス（例えば、酸素）および冷媒（例えば、冷却水）を流通させるために、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガス導入口７４、酸化剤ガス排出口７５、冷媒導入口７７、および冷媒排出口７８を有する。

スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンド板７０，８０の四隅には、タイロッド９０が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド９０は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット（不図示）が螺合され、燃料電池１０を締結する。スタック形成のための荷重は、セルの積層方向に作用し、セルを押し圧状態に配置する。

タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、セル同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。

燃料電池１０の締結機構は、内部を延長するタイロッド９０を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッドを利用することも可能である。

図２は、図１に示されるスタック部に含まれる単セルを説明するための断面図、図３は、図２に示されるセパレータを説明するための平面図、図４は、図２に示されるセパレータの一方における酸化剤ガスの流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図、図５は、図２に示されるセパレータの他方における燃料ガスの流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図、図６は、図２に示されるセパレータの一方および他方における冷媒の流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図である。

スタック部２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１００を一対のセパレータ１１０，１１５によって挟持した構造を有する単セルを、積層することで形成されており、セパレータ１１０，１１５同士は、接着材によって接合されている。後述するように、セパレータ１１０，１１５は、発電に寄与しない部位を増加させず、かつ、局所的な塑性変形は生じさせることなく、変形が確実に矯正されている。そのため、矯正後において、セパレータ１１０，１１５を接合する際、セパレータ１１０，１１５の間に、隙間が生じないため、十分なシール性が確保されている。つまり、燃料電池１０は、良好な出力密度およびシール性を有する。

膜電極接合体１００は、電解質膜１０２、カソード触媒層１０３、アノード触媒層１０４およびガス拡散層１０５，１０６を有する。

電解質膜１０２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。カソード触媒層１０３は、電解質膜１０２の一方の面に配置され、ガス拡散層１０５に隣接している。アノード触媒層１０４は、電解質膜１０２の他方の面に配置され、ガス拡散層１０６に隣接している。

カソード触媒層１０３およびアノード触媒層１０４は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。電極触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。

カソード触媒層１０３に適用される触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。アノード触媒層１０４に適用される触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層１０３およびアノード触媒層１０４に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。

電極触媒の高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。

ガス拡散層１０５，１０６は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトから形成される。

セパレータ１１０，１１５は、同一形状であり、短辺部１２２，１２３の近傍に配置されるマニホールド穴１３２〜１３７、および、中央部に配置される流路部１３７を有する。流路部１３７は、凹凸部１３８を有する。なお、符号１２４，１２５は、セパレータ１１０，１１５の長辺部を示している。

マニホールド穴１３２，１３７は、燃料ガス用であり、エンド板７０に配置される燃料ガス導入口７１および燃料ガス排出口７２に、接続されている。マニホールド穴１３３，１３６は、酸化剤ガス用であり、エンド板７０に配置される酸化剤ガス導入口７４および酸化剤ガス排出口７５に、接続されている。マニホールド穴１３４，１３５は、冷媒用であり、エンド板７０に配置される冷媒導入口７７および冷媒排出口７８に、接続されている。

セパレータ１１０は、カソード触媒層１０３に隣接するガス拡散層１０５と当接するように配置される。セパレータ１１０と膜電極接合体１００との間には、図４に示されるように、シール材１４０が配置される。シール材１４０は、セパレータ１１０の外周に沿って延長すると共に、燃料ガス用のマニホールド穴１３２，１３７および冷媒用のマニホールド穴１３４，１３５の外周に沿って延長している。

そのため、セパレータ１１０の流路部１３７の凹凸部１３８と、ガス拡散層１０５の表面とにより形成される空間Ｓ_１は、酸化剤ガス用のマニホールド穴１３３，１３６と連通しており、酸化剤ガスを流通させるための流路を構成する。

セパレータ１１５は、アノード触媒層１０４に隣接するガス拡散層１０６と当接するように配置される。セパレータ１１５と膜電極接合体１００との間には、図５に示されるように、シール材１４２が配置される。シール材１４２は、セパレータ１１５の外周に沿って延長すると共に、酸化剤ガス用のマニホールド穴１３３，１３６および冷媒用のマニホールド穴１３４，１３５の外周に沿って延長している。

セパレータ１１５の流路部１３７の凹凸部１３８と、ガス拡散層１０５の表面とにより形成される空間Ｓ_２は、燃料ガス用のマニホールド穴１３２，１３７と連通しており、燃料ガスを流通させるための流路を構成する。

セパレータ１１０と隣接する単セルのセパレータ１１５との間、および、セパレータ１１５と隣接する単セルのセパレータ１１０との間には、図６に示されるように、シール材１４４が配置される。シール材１４４は、セパレータ１１０，１１５の外周に沿って延長すると共に、燃料ガス用のマニホールド穴１３２，１３７および酸化剤ガス用のマニホールド穴１３３，１３６の外周に沿って延長している。

セパレータ１１０の流路部１３７の凹凸部１３８と、隣接する単セルのセパレータ１１５の流路部１３７の凹凸部１３８とにより形成される空間Ｓ_３は、冷媒用のマニホールド穴１３４，１３５と連通しており、冷媒を流通させるための流路を構成する。

シール材１４４は、接着材を熱硬化することで形成されており、セパレータ１１０およびセパレータ１１５は、接合されている。

次に、本実施の形態に係る燃料電池の製造装置を説明する。

図７は、本製造装置の矯正手段を説明するための側面図、図８は、図７に示される支持体を説明するための分解斜視図、図９は、図７に示される支持体を説明するための断面図、図１０は、本製造装置の被覆手段を説明するための平面図、図１１は、本製造装置の積層手段を説明するための断面図、図１２は、本製造装置の接合手段を説明するための側面図である。

本製造装置は、接着材を熱硬化することでシール材１４４を形成すると共にセパレータ１１０，１１５を接合するために使用され、矯正手段１５０，１７０、被覆手段１９０、矯正手段１５０，１７０によって兼ねられる積層手段、および接合手段１９５を有する。

矯正手段１５０，１７０は、セパレータ１１０，１１５の変形を、矯正するために使用され、支持体１５２，１７２、位置決めピン１６０，１８０、枠状シート材１６２，１８２および減圧吸引手段１６４，１８４を有する。

支持体１５２，１７２は、セパレータ１１０，１１５が配置される支持ベース１５３，１７３、支持ベース１５３，１７３を支持しかつ減圧吸引手段１６４，１８４と連結されている負圧ケース１５８，１７８を有する。

支持ベース１５３，１７３は、開口部１５４，１７４および凹部１５５，１７５を有する。開口部１５４，１７４は、中央部に複数配置されている。凹部１５５，１７５は、配置されるセパレータ１１０，１１５の短辺部１２２，１２３の外周に隣接し、かつ、マニホールド穴１３３，１３６の近傍に位置するように、配置される。なお、符号１２９は、接合面を構成する頂面を有する凸部を示している。

負圧ケース１５８，１７８は、支持ベース１５３，１７３と一体化することで、中空容器を形成し、また、開口部１５４，１７４と連通しているエア配管１５９，１７９を有する。支持ベース１５３，１７３が別体であるため、セパレータ１１０，１１５の形状が異なった場合、支持ベース１５３，１７３のみを交換することで、対処可能であり、負圧ケース１５８，１７８を共有化できる点で、好ましい。

位置決めピン１６０，１８０は、凹部１５５，１７５に着脱自在に挿入され、セパレータ１１０，１１５を、支持ベース１５３，１７３に対して位置決めするために使用される。なお、凹部１５５は、凹部１７５と位置合せされており、また、位置決めピン１８０が挿入自在である。

枠状シート材１６２，１８２は、略矩形の内周面１６３，１８３を有し、セパレータ１１０，１１５の周縁部を覆うように配置される。枠状シート材１６２，１８２の外周は、セパレータ１１０，１１５のサイズより大きく、かつ、支持ベース１５３，１７３のサイズより小さい。また、内周面１６３，１８３は、セパレータ１１０，１１５のサイズより小さい。枠状シート材１６２，１８２の断面形状は、密着性を向上させるために、階段状とすることも可能である。

枠状シート材１６２，１８２の材質は、耐薬品性、接着材の熱硬化条件に対する耐熱性、および良好なシール性を有しておれば、特に限定されず、例えば、フッ素樹脂系高分子材料やポリイミド系高分子材料を適用することが可能である。良好なシール性および取外し性を有するためには、ショアＤ硬度が、３０〜８０であることが好ましい。

減圧吸引手段１６４，１８４は、エア配管１５９，１７９と接続される配管系１６５，１８５および真空源１６６，１８６を有する。エア配管１５９，１７９の途中には、圧力制御弁、開閉弁、リリース弁等が配置されている。真空源１６６，１８６は、例えば、真空ポンプである。減圧度は、例えば、０．１×１０^５〜０．５×１０^５Ｐａである。

したがって、支持体１５２，１７２の開口部１５４，１７４を介し、減圧吸引手段１６４，１８４によって減圧吸引し、枠状シート材１６２，１８２によってセパレータ１１０，１１５の周縁部をシールし、セパレータ１１０，１１５の全体を吸着することで、セパレータ１１０，１１５の変形を、全体に渡って矯正することが可能である。セパレータ１１０，１１５の周縁部のシールは、開口部１５４，１７４の位置および形状に依存しないため、セパレータ１１０，１１５における発電に寄与しない部位の増加を抑制しつつ、良好な矯正効果を達成することができる。また、セパレータ１１０，１１５は、全体が吸着されるため、局所的な塑性変形は生じない。

被覆手段１９０は、接着材の定量吐出装置からなり、セパレータ（矯正されたセパレータの一方）１１５に接着材を被覆するために使用される。定量吐出装置は、例えば、ディスペンサである。接着材は、良好な接着性およびシール性を有しておれば、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂系やシリコーンゴム系の熱硬化性接着材である。

なお、被覆手段１９０は、接合面を構成する凸部１２９の頂面に位置するシール材１４４の配置部位に沿って、その上方を移動するように、駆動される。接着材は、セパレータ１１０に被覆したり、必要に応じて、セパレータ１１０，１１５の両方に被覆したりすることも可能である。

積層手段は、セパレータ１１０，１１５を、接着材を介して重ねるために使用され、本実施の形態において、矯正手段１５０，１７０によって兼ねられる。つまり、セパレータ１１０を減圧吸引している矯正手段１５０を、反転させ、接着材が被覆されているセパレータ１１５を減圧吸引している矯正手段１７０に、重ね合せることで、接着材を介して重ねられたセパレータ１１０，１１５を形成することがでる。

また、セパレータ１１０を保持している支持ベース１５３の凹部１５５は、セパレータ１１５を保持している支持ベース１７３の凹部１７５に挿入されている位置決めピン１８０が挿入自在である。したがって、凹部１５５から位置決めピン１６０が取外されている場合、位置決めピン１８０の露出部（突出部）を、凹部１５５に挿入しながら、セパレータ１１０，１１５を重ね合せることが可能である。

この場合、セパレータ１１０，１１５を保持している支持ベース１５３，１７３が、一括して位置決めされるため、積層の際に、セパレータ１１０，１１５が擦れたり、２度当たりしたりすることが避けられるため、接着剤を一様に延伸させる（潰す）ことが可能である。つまり、積層手段は、セパレータ１１０，１１５を、一括して位置決めするための位置決め手段を有することとなる。なお、位置決めピン１６０の替わりに、位置決めピン１８０を取外すことも可能である。

接合手段１９５は、一括して位置決めされた状態のセパレータ１１０，１１５を収容自在の空間を有するオーブンからなり、例えば、１２０〜１５０℃で接着材を加熱硬化することで、セパレータ１１０，１１５を接合するために使用される。接着材は、減圧吸引および位置決めが解除されることなく、加熱硬化するため、接合されたセパレータ１１０，１１５は、良好な位置精度および平面度を有することとなる。

したがって、被覆手段１９０によって被覆され、矯正手段１５０によって兼ねられる積層手段によって重ねられたセパレータ１１０，１１５の間に位置する接着材の分布を、均一とし、接合手段１９５よって接着材を加熱硬化することで接合されるセパレータ１１０，１１５の間に、隙間を生じさせないことによって、良好なシール性を確保することが容易である。

次に、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明する。

図１３は、本製造方法を説明するための工程図、図１４は、図１３に示される積層工程における位置決めピン取外し段階を説明するための断面図、図１５は、図１３に示される積層工程における反転段階を説明するための断面図、図１６は、図１３に示される積層工程における位置決め段階を説明するための断面図である。

本製造方法は、矯正工程、接着材被覆工程、セパレータ積層工程、セパレータ接合工程およびセパレータ分離工程を有する。

矯正工程は、接合されるセパレータ１１０，１１５の変形を、矯正するために配置されており、セパレータ配置段階、シート材配置段階および減圧吸引段階を有する。

セパレータ配置段階においては、セパレータ１１０，１１５が、支持体１５２，１７２の支持ベース１５３，１７３に配置される。この際、セパレータ１１０，１１５は、支持ベース１５３，１７３の凹部１５５，１７５に挿入されている位置決めピン１６０，１８０によって、支持体１５２，１７２に対して位置決めされる（図７参照）。

シート材配置段階においては、セパレータ１１０，１１５の周縁部を覆うように、枠状シート材１６２，１８２が配置される（図９参照）。

減圧吸引段階においては、減圧吸引手段１６４，１８４の真空源１６６，１８６が稼働される。真空源１６６，１８６から延長する配管系１６５，１８５は、支持ベース１５３，１７３と一体化して中空容器を形成する負圧ケース１５８，１７８のエア配管１５９，１７９と連通している。

したがって、減圧吸引手段１６４，１８４は、支持ベース１５３，１７３の開口部１５４，１７４を介して減圧吸引し、枠状シート材１６２，１８２によってセパレータ１１０，１１５の周縁部をシールすることで、セパレータ１１０，１１５を吸着する。セパレータ１１０，１１５は、全体が吸着されるため、セパレータ１１０，１１５の変形が、全体に渡って矯正される。

また、セパレータ１１０，１１５の周縁部のシールは、開口部１５４，１７４の位置および形状に依存しないため、セパレータ１１０，１１５における発電に寄与しない部位の増加を抑制しつつ、良好な矯正効果を達成することができる。また、セパレータは、全体が吸着されるため、局所的な塑性変形は生じない。

接着材被覆工程においては、被覆手段１９０によって、セパレータ（矯正されたセパレータの一方）１１５に接着材が被覆される。被覆手段１９０は、接着材を吐出しながら、シール材１４４の配置部位に沿って、その上方を移動するように駆動される（図１０参照）。

セパレータ積層工程は、接着材が被覆されたセパレータ１１５と、接着材が被覆されていない（矯正されたのみの）セパレータ１１０とを、接着材を介して重ねるために配置されており、位置決めピン取外し段階、反転段階、位置決め段階を有する。

位置決めピン取外し段階においては、セパレータ１１０が配置された支持ベース１５３の凹部１５５から、位置決めピン１６０が取外される（図１４参照）。

反転段階においては、支持体１５２を反転させることで、支持ベース１５３に吸着されているセパレータ１１０と、支持体１７２の支持ベース１７３に吸着されているセパレータ１１５とが、相対させられる（図１５参照）。反転段階は、位置決めピン取外し段階の前に配置したり、位置決めピン取外し段階と一体化したりすることも可能である。

位置決め段階においては、位置決めピン１６０が取外された凹部１５５に、セパレータ１１５が配置された支持体１７２の凹部１７５に挿入されている位置決めピン１８０が挿入される（図１６参照）。これにより、パレータ１１０，１１５が、一括して位置決めされる。したがって、積層工程において、セパレータ１１０，１１５が擦れたり、２度当たりしたりすることが避けられるため、接着剤を一様に延伸させる（潰す）ことが可能である。

そして、減圧吸引手段１６４，１８４と支持体１５２，１７２との接続が解除され、例えば、開閉弁によって、減圧吸引状態が維持された状態で、セパレータ１１０，１１５は、セパレータ接合工程に投入される。

セパレータ接合工程においては、接着材を加熱硬化することで、セパレータ１１０，１１５が接合される（図１２参照）。

被覆工程に投入されるセパレータは、矯正工程において、全体が吸着されており、局所的な塑性変形は生じていない。そのため、被覆工程において被覆され、積層工程において重ねられたセパレータの間に位置する接着材の分布は、均一であり、接合工程において、接着材を加熱硬化することで接合されるセパレータの間に、隙間を生じないため、良好なシール性を確保することが容易である。

また、セパレータ１１０，１１５は、一括して位置決めされた状態で、維持されるため、接合されたセパレータ１１０，１１５は、良好な位置精度および平面度を有することとなる。

セパレータ分離工程においては、例えば、リリース弁によってセパレータ１１０，１１５の減圧吸引状態が解除され、セパレータ接合体（接合されたセパレータ）が、支持体１５２，１７２から分離される。そして、セパレータ接合体は、アッセンブリ工程などを含んでいる後工程に投入され、最終的に、燃料電池が製造されることになる。

図１７および図１８は、本実施の形態に係る変形例１および変形例２を説明するための断面図である。

図１７に示されるセパレータ１１０，１１５は、周縁部の端面に隣接して延長する段差１２８を有し、矯正工程のシート材配置段階において、枠状シート材１６２，１８２は、段差１２８を取り囲むように配置されることで、位置決めされる。段差１２８は、シール性を確保するために必要とされる最小限の位置に形成される。

したがって、セパレータ１１０，１１５における発電に寄与しない部位の増加を、さらに抑制することが可能である。また、段差１２８は、枠状シート材１６２，１８２の移動を制止するため、積層工程において、枠状シート材１６２，１８２がセパレータ１１０，１１５によって挟み込まれることが避けられる。なお、段差１２８は、枠状シート材の厚みに略一致していることが好ましい。

また、図１８に示されるように、支持体１５２，１７２の支持ベース１５３，１７３の周縁部に、枠状シート材１６２，１８２の外周と位置合わされた突出部１５６，１７６を、設けることも好ましい。

図１９は、本実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。

図１９に示される支持ベース１５３，１７３は、接合面を構成する凸部１２９と位置合せされた凸部１５７，１７７を有する。凸部１５７，１７７は、凸部１２９の頂面の背面と当接自在であり、矯正工程のセパレータ配置段階において、凸部１２９の背面に、凸部１５７，１７７が当接するように、セパレータ１１０，１１５が位置決めされる。

したがって、積層工程において、セパレータ１１０，１１５の凸部１２９は、支持ベース１５３，１７３の凸部１５７，１７７によって支持され、確実に当接する。凸部１２９の間に位置する接着材は、一様に延伸させられるため（潰されるため）、接着材の膜厚を、さらに一定とすることが可能である。

以上のように、本実施の形態は、良好な出力密度およびシール性を有する燃料電池の製造方法および製造装置を提供することが可能である。

なお、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、特許請求の範囲で種々改変することができる。

例えば、支持体１５２，１７２は、別体の負圧ケース１５８，１７８および支持ベース１５３，１７３によって構成されることに限定されない。また、一括位置決め機構は、位置決めピン１８０と凹部１５５の嵌合構造を利用する形態に限定されず、専用の位置決めピンと凹部を用意したり、その他の位置決め機構を適用したりすることも可能である。さらに、減圧吸引状態を解除するタイミングは、矯正工程後であれば、特に限定されない。

本実施の形態に係る燃料電池を説明するための斜視図である。 図１に示されるスタック部に含まれる単セルを説明するための断面図である。 図２に示されるセパレータを説明するための平面図である。 図２に示されるセパレータの一方における酸化剤ガスの流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図である。 図２に示されるセパレータの他方における燃料ガスの流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図である。 図２に示されるセパレータの一方および他方における冷媒の流路面におけるシール材の配置を説明するための平面図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造装置の矯正手段を説明するための側面図である。 図７に示される支持体を説明するための分解斜視図である。 図７に示される支持体を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造装置の被覆手段を説明するための平面図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造装置の積層手段を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造装置の接合手段を説明するための側面図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明するための工程図である。 図１３に示される積層工程における位置決めピン取外し段階を説明するための断面図である。 図１３に示される積層工程における反転段階を説明するための断面図である。 図１３に示される積層工程における位置決め段階を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る変形例２を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。

符号の説明

１０・・燃料電池、
２０・・スタック部、
３０，４０・・集電板、
３５，４５・・出力端子、
５０，６０・・絶縁板、
７０，８０・・エンド板、
７１・・燃料ガス導入口、
７２・・燃料ガス排出口、
７４・・酸化剤ガス導入口、
７５・・酸化剤ガス排出口、
７７・・冷媒導入口、
７８・・冷媒排出口、
９０・・タイロッド、
１００・・膜電極接合体、
１０２・・電解質膜、
１０３・・カソード触媒層、
１０４・・アノード触媒層、
１０５，１０６・・ガス拡散層、
１１０，１１５・・セパレータ、
１２２，１２３・・短辺部、
１２４，１２５・・長辺部、
１２８・・段差、
１２９・・凸部、
１３２〜１３７・・マニホールド穴、
１３７・・流路部、
１３８・・凹凸部、
１４０，１４２，１４４・・シール材、
１５０，１７０・・矯正手段、
１５２，１７２・・支持体、
１５３，１７３・・支持ベース、
１５４，１７４・・開口部、
１５５，１７５・・凹部、
１５６，１７６・・突出部、
１５７，１７７・・凸部、
１５８，１７８・・負圧ケース、
１５９，１７９・・エア配管、
１６０，１８０・・位置決めピン、
１６２，１８２・・枠状シート材、
１６３，１８３・・内周面、
１６４，１８４・・減圧吸引手段、
１６５，１８５・・配管系、
１６６，１８６・・真空源、
１９０・・被覆手段、
１９５・・接合手段、
Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３・・空間。

Claims (14)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構造を有する単セルが積層されることによって形成され、かつ、隣接する単セルのセパレータ同士が接着材によって接合されている燃料電池の製造方法であって、
   接合される前記セパレータの一方および他方の変形を、矯正するための矯正工程、
   矯正された前記セパレータの少なくとも一方に、前記接着材を被覆するための被覆工程、
   前記接着材を介して、前記セパレータの一方および他方を重ねるための積層工程、および、
   前記接着材を加熱硬化することで、前記セパレータの一方および他方を接合するための接合工程を有しており、
   前記矯正工程は、
   開口部が形成された支持体に対し、前記セパレータを前記開口部と対向するように配置するためのセパレータ配置段階、
   前記セパレータの周縁部を覆うように、枠状シート材を配置するためのシート材配置段階、および、
   前記開口部を介して前記セパレータと前記支持体との間を減圧吸引し、前記枠状シート材によって前記セパレータの周縁部をシールすることで、前記セパレータを前記支持体に吸着するための減圧吸引段階を有する
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 前記セパレータの周縁部は、前記周縁部の端面に隣接して延長する段差を有し、
   前記矯正工程のシート材配置段階において、前記枠状シート材は、前記段差を取り囲むように配置されることで、位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記段差は、前記枠状シート材の厚みに一致していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記積層工程は、前記セパレータの一方および他方を、一括して位置決めするための位置決め段階を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記支持体は、前記セパレータを位置決めするための位置決めピンが着脱自在に挿入される凹部を有し、
   前記矯正工程のセパレータ配置段階において、前記セパレータは、前記凹部に挿入された前記位置決めピンによって位置決めされ、
   前記積層工程は、前記セパレータの一方が配置された前記支持体の前記凹部から、前記位置決めピンを取外すための位置決めピン取外し段階を有し、
   前記積層工程の位置決め段階において、前記位置決めピンが取外された前記凹部に、前記セパレータの他方が配置された前記支持体の前記凹部に挿入されている前記位置決めピンが挿入されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記接合工程において、前記セパレータの一方および他方は、一括して位置決めされた状態で、維持されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記セパレータは、接合面を構成する頂面を有する凸部を有し、前記支持体は、前記頂面の背面と当接自在の凸部を有し、
   前記矯正工程のセパレータ配置段階において、前記セパレータの凸部の背面に、前記支持体の凸部が当接するように、前記セパレータが位置決めされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
8. 膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構造を有する単セルが積層されることによって形成され、かつ、隣接する単セルのセパレータ同士が接着材によって接合されている燃料電池の製造装置であって、
   接合される前記セパレータの一方および他方の変形を、矯正するための矯正手段、
   矯正された前記セパレータの少なくとも一方に、前記接着材を被覆するための被覆手段、
   前記接着材を介して、前記セパレータの一方および他方を重ねるための積層手段、および、
   前記接着材を加熱硬化することで、前記セパレータの一方および他方を接合するための接合手段を有しており、
   前記矯正手段は、
   開口部を有しかつ前記開口部と対向するように前記セパレータが配置される支持体、
   前記セパレータの周縁部を覆うように配置される枠状シート材、および、
   前記開口部を介して前記セパレータと前記支持体との間を減圧吸引し、前記枠状シート材によって前記セパレータの周縁部をシールすることで、前記セパレータを前記支持体に吸引するための減圧吸引手段
   を有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
9. 前記セパレータの周縁部は、前記周縁部の端面に隣接して延長する段差を有し、前記枠状シート材は、前記段差を取り囲むように配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の製造装置。
10. 前記段差は、前記枠状シート材の厚みに一致していることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の製造装置。
11. 前記積層手段は、前記セパレータの一方および他方を、一括して位置決めするための位置決め手段を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。
12. 前記支持体は、前記セパレータを位置決めするための位置決めピンが着脱自在に挿入される凹部を有し、前記セパレータの一方が配置される前記支持体の前記凹部は、前記セパレータの他方が配置される前記支持体の前記凹部に挿入される前記位置決めピンが、挿入自在であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の製造装置。
13. 前記接合手段は、前記セパレータの一方および他方が、一括して位置決めされた状態で、前記接着材を加熱硬化し得ることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の燃料電池の製造装置。
14. 前記セパレータは、接合面を構成する頂面を有する凸部を有し、前記支持体は、前記頂面の背面と当接自在の凸部を有することを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。

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