JP2006147256A - 燃料電池単セル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高分子電解質膜とセパレータとの位置ずれを無くして起電力の低下を抑制し、また、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス漏れを防止することのできる燃料電池単セルの製造方法を提供する。
【解決手段】 固体高分子電解質膜１３のアノード側に配置されるアノードセパレータ１１とカソード側に配置されるカソードセパレータ１２を一体化して１枚のセパレータ２０を形成するセパレータ形成工程と、前記セパレータ２０を二つ折りに折り曲げ、前記アノードセパレータ１１と前記カソードセパレータ１２を対向配置させる二つ折り工程と、少なくとも膜電極接合体１０の端部１０Ａを、前記二つ折りにした折曲部２２に挿入して突き当てる突き当て工程と、前記膜電極接合体１０を前記アノードセパレータ１１と前記カソードセパレータ１２で挟み込む挟持工程とからなる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、燃料電池単セル及びその製造方法に関し、詳細には、アノードセパレータとカソードセパレータを１枚のセパレータで構成した新規な燃料電池単セルの構造及びその製造方法に関する。

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。

かかる薄板金属セパレータを用いた燃料電池としては、例えば、接合体（固体高分子電解質膜）を挟んでその一方の面に、凹凸形状の流路を形成した第１セパレータを配置し、他方の面に、やはり凹凸形状の流路を形成した２枚のセパレータで板ばねを挟んだ積層構造とした第２セパレータを配置することで形成した燃料電池単セルの複数個を積層した構造としている（例えば、特許文献１参照）。

この他、薄板金属セパレータを用いた燃料電池としては、厚みの薄い金属板をプレス加工して凹凸形状のガス流路を形成した金属セパレータを、イオン交換膜からなる電解質の両面に配置することにより形成した燃料電池単セルの複数個を積層した構造としている。
特開２００２−３６７６６５号公報（第２頁および第３頁、第５図および第図６） 特開２００４−１３９９５１号公報（第５頁から第７頁、第１図および第図２）

ところで、特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池では、高分子電解質膜とセパレータ間のシールが充分でないと、微小の燃料ガスがこれら高分子電解質膜とセパレータ間から漏れ、必要な起電力を確保することが困難になる。そのため、必要な起電力を得るためには、これら高分子電解質膜とセパレータ間を充分にシールする必要がある。

また、これら燃料電池では、高分子電解質膜を挟み込むようにしてセパレータを積層配置するため、外形基準で積層した場合、積層位置がずれ、スタック全体が大型化する。また、高分子電解質膜の起電力を発生するアクティブ領域に位置ずれが生じ、実質上のアクティブ領域がロスし、起電力が小さくなってしまう。

そこで、本発明は、高分子電解質膜とセパレータとの位置ずれを無くして起電力の低下を抑制し、また、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス漏れを防止することのできる燃料電池単セル及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池単セルは、少なくとも高分子電解質膜を有した膜電極接合体と、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータと、高分子電解質膜のカソード側に配置されるカソードセパレータとを備える。そして、アノードセパレータとカソードセパレータを１枚のセパレータから構成し、二つ折りにして膜電極接合体を挟み込んだ構造としている。

本発明の燃料電池単セルによれば、アノードセパレータとカソードセパレータを１枚のセパレータから構成し、二つ折りにして膜電極接合体を挟み込んだ構造としているので、これらの間の位置ずれを防止することができる。したがって、膜電極接合体のアクティブ領域とアノードセパレータ及びカソードセパレータに形成される流路との位置が一致することから必要な起電力を確保することができる。また、この位置ずれの無い燃料電池単セルを複数積層して燃料電池スタックを形成した場合、積層ずれが生じないため、スタック全体が大型にならない。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの概略構成」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（Ｈ_２）と酸化剤ガス（Ｏ_２）の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に燃料ガス及び酸化剤ガスを各燃料電池単セル２に供給するためのガス導入用プレート４と、各燃料電池単セル２を流れた燃料ガス及び酸化剤ガスを積層体３から排出するためのガス排出用プレート５とからなる。

ガス導入用プレート４には、燃料電池単セル２のセパレータに形成された燃料ガス流路に燃料ガスを導入させるための燃料ガス導入口６と、セパレータに形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入させるための酸化剤ガス導入口７とが形成されている。一方、ガス排出用プレート５には、各燃料電池単セル２を流れた燃料ガスを積層体３から排出させるための燃料ガス排出口８と、酸化剤ガスを積層体３から排出させるための酸化剤ガス排出口９とが形成されている。

なお、この燃料電池スタック１は、各燃料電池単セル２のセパレータに形成された冷媒流路に冷却水を流通させるための冷却水導入口及び冷却水を排出するための冷却水排出口（何れも図示は省略する）を有している。

燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体１０（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体１０の両面にそれぞれ配置されるアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２とから構成される。

膜電極接合体１０は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１３と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極１４と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極１５とからなる。かかる膜電極接合体１０は、アノード電極１４とカソード電極１５によって、固体高分子電解質膜１３をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。また、この膜電極接合体１０においては、固体高分子電解質膜１３の両端に、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる補強板１６が当該固体高分子電解質膜１３を挟み込むようにして設けられている。

アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２は、１枚のセパレータから構成され、その１枚のセパレータを二つ折りにして膜電極接合体１０を挟み込んだ後、一端側をかしめ、その後切断することで分割されている。そのアノードセパレータ１１は、厚みの薄い導電性を備えた金属板からなり、固体高分子電解質膜１３のアノード側に配置されている。カソードセパレータ１２は、アノードセパレータ１１と同様に金属薄板からなり、固体高分子電解質膜１３のカソード側に配置されている。

これらアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２は、その一端側を補強板１６に対してかしめることによりかしめ部１７を形成し、これらセパレータと膜電極接合体１０との間をシールしている。また、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２は、他端側を補強板１６に対してシール部材（リップ部材）１８でシールすることにより、これらセパレータと膜電極接合体１０との間をシールしている。

アノードセパレータ１１には、発電に寄与するアクティブ領域（アノード電極１４と接する中央部分の領域）に、燃料ガス（水素Ｈ_２）を流通させる燃料ガス流路１９が凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）として形成されている。カソードセパレータ１２には、同じくアクティブ領域に、酸化剤ガス（酸素Ｏ_２）を流通させる酸化剤ガス流路（図示は省略する）が凹凸形状として形成されている。

このように構成された燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス導入口６より導入されて各アノードセパレータ１１に形成された燃料ガス流路１９を流れた後、燃料ガス排出口８より排出される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７より導入されて各カソードセパレータ１２に形成された酸化剤ガス流路を流れた後、酸化剤ガス排出口９より排出される。

以上のように、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を１枚のセパレータから構成し、その１枚のセパレータを二つ折りにして膜電極接合体１０を挟み込んだ構造としているので、それらアノードセパレータ１１、膜電極接合体１０及びカソードセパレータ１２の積層位置ずれが生じない。また、アノードセパレータ１１、膜電極接合体１０、カソードセパレータ１２間の積層位置ずれが生じないことから、アクティブ領域のずれを防止することができ、燃料電池単セル２自体の起電力を高めることができる。

また、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、二つ折りにした部分にかしめ部１７を形成しているので、このかしめ部１７によってアノードセパレータ１１、膜電極接合体１０、カソードセパレータ１２間をシールすることができ、燃料ガス及び酸化剤ガスなどの漏れを防止することができる。

また、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２の二つ折りにした部分（折曲部）の一部を切断したので、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を電気的に分離することができる。

「燃料電池単セルの製造方法」
次に、上述のように構成された燃料電池単セル２の製造方法について説明する。先ず、図３に示すように、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を一体化して１枚のセパレータ２０を形成する。すなわち、セパレータ２枚分とした金属薄板からなる長尺状のセパレータ２０に、アノードセパレータ１１となるアクティブ領域に凹凸形状をプレス加工して燃料ガス流路１９を形成すると共にカソードセパレータ１２となるアクティブ領域に凹凸形状をプレス加工して酸化剤ガス流路２１を形成する。燃料ガス流路１９と酸化剤ガス流路２１の加工は、同一のプレス加工工程で形成する。

次に、これらセパレータ２０の長手方向両端にシール部材１８をそれぞれ形成する。シール部材１８は、例えば、膜電極接合体１０を挟み込む内側の面に断面三角形状をなす凸条として形成する。

次に、このセパレータ２０を、二等分する位置（図３中二点鎖線で示す位置）で二つ折りに折り曲げ、図４に示すように、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を対向配置させる。この折り曲げ工程では、膜電極接合体１０の厚み寸法とほぼ同じ長さの対向距離となるように、セパレータ２０を二つ折りにしてアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を対向配置させる。

次いで、図５に示すように、二つ折りにした折曲部２２を残してアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を略９０度にそれぞれ開く。そして、図６に示すように、膜電極接合体１０の端部１０Ａを、前記折曲部２２の空間部２３内に挿入して突き当てる。この突き当て工程では、膜電極接合体１０の端部１０Ａが折曲部２２に突き当たることで位置決めされ、それらアノードセパレータ１１、膜電極接合体１０及びカソードセパレータ１２との相対位置関係が自ずと決まる。

次に、開いたアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を図６中矢印Ｘで示す方向に閉じ、これらアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２で膜電極接合体１０を挟み込む。この挟持工程では、アノードセパレータ１１及びカソードセパレータ１２に形成されたシール部材１８のそれぞれが膜電極接合体１０の補強板１６に密着し、それらの間をシールする。

次に、膜電極接合体１０をアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２で挟み込んだ挟持工程後に、図７に示すように、折曲部２２の一部をかしめてかしめ部１７を形成する。折曲部２２の一部をかしめることで、アノードセパレータ１１と膜電極接合体１０間およびカソードセパレータ１２と膜電極接合体１０間がシールされる。

そして最後に、かしめ部１７から離れた位置の折曲部２２の一部を、図７中二点鎖線で示す位置で切断する。この切断工程では、一体化されたセパレータ２０が切断されるため、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２とに分離される。この切断工程を行うことで、図２に示した本実施の形態の燃料電池単セル２が製造される。

本実施の形態の製造方法によれば、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を１枚のセパレータ２０で形成しているため、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２をそれぞれ別々に作成する必要はなく、部品点数の削減並びに製造工程を大幅に低減させることができる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、二つ折りにした折曲部２２に膜電極接合体１０の端部１０Ａを突き当てるようにしたので、アノードセパレータ１１と膜電極接合体１０とカソードセパレータ１２との積層位置ずれを防止することができると共にアクティブ領域の位置ずれも防止できる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、二つ折り工程後に、折曲部２２を残してアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を開いているので、その後に行う膜電極接合体１０の端部１０Ａを折曲部２２に挿入して突き当てる突き当て工程を容易なものとすることができる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、挟持工程後に、折曲部２２をかしめるようにしているので、このかしめによりアノードセパレータ１１と膜電極接合体１０間およびカソードセパレータ１２と膜電極接合体１０間をシールすることができる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、挟持工程後に、折曲部２２の一部を切断したので、これらアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２を分離させることができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

図８は、二つ折りにした部分に絶縁部材２４を設けたセパレータの一例を示す斜視図である。このセパレータ２０は、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２の間にゴムなどからなる絶縁部材２４を介在させて一体化したセパレータである。二つ折りにした部分を絶縁部材２４で形成すれば、アノードセパレータ１１とカソードセパレータを電気的に分離することができるから挟持工程後に、折曲部２２の一部を切断する切断工程を無くすことができる。

図９は、燃料電池単セルの他の製造方法の一例を示す概略工程図である。この例では、長尺条のセパレータ２０を円柱形状に巻回した原反２５から連続してセパレータ２０を送り出し、その送り出したセパレータ２０に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を形成する。その後、セパレータ２０を二つ折りに折り曲げ、その折り曲げたアノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２間に膜電極接合体１０を挿入する。その後、アノードセパレータ１１とカソードセパレータ１２で膜電極接合体１０を挟み込み、折曲部をかしめた後、その折曲部の一部を切断する。

この図９に示すように、原反２５からセパレータ２５を連続して繰り出し、そのセパレータ２５に流路加工などを随時加工して行くことで、燃料電池単セル２を効率良く製造することが可能となる。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルの斜視図である。 燃料電池単セルの製造工程を順次示すもので、アノードセパレータとカソードセパレータを一体化して１枚のセパレータを形成するセパレータ形成工程を示す。 燃料電池単セルの製造工程を順次示すもので、セパレータを二つ折りに折り曲げる二つ折り工程を示す。 燃料電池単セルの製造工程を順次示すもので、折曲部を残してアノードセパレータとカソードセパレータを開くセパレータ開き工程を示す。 燃料電池単セルの製造工程を順次示すもので、膜電極接合体の端部を折曲部に挿入して突き当てる突き当て工程を示す。 燃料電池単セルの製造工程を順次示すもので、折曲部をかしめるかしめ工程を示す。 二つ折りにした部分に絶縁部材を設けたセパレータの一例を示す斜視図である。 燃料電池単セルの他の製造方法の一例を示す概略工程図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１０…膜電極接合体
１１…アノードセパレータ
１２…カソードセパレータ
１３…固体高分子電解質膜
１４…アノード電極
１５…カソード電極
１７…かしめ部
１８…シール部材
１９…燃料ガス流路
２０…セパレータ
２１…酸化剤ガス流路
２２…折曲部
２４…絶縁部材

Claims (8)

1. 少なくとも高分子電解質膜を有した膜電極接合体と、
   前記高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータと、
   前記高分子電解質膜のカソード側に配置されるカソードセパレータとを備え、
   前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを１枚のセパレータから構成し、二つ折りにして前記膜電極接合体を挟み込んでなる
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
   前記二つ折りにした折曲部にかしめ部が形成されてなる
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池単セルであって、
   前記二つ折りにした折曲部の一部が切断されてなる
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の燃料電池単セルであって、
   前記二つ折りにした折曲部に絶縁部材が設けられた
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
5. 高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータを一体化して１枚のセパレータを形成するセパレータ形成工程と、
   前記セパレータを二つ折りに折り曲げ、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータを対向配置させる二つ折り工程と、
   少なくとも高分子電解質膜を有した膜電極接合体の端部を、前記二つ折りにした折曲部に挿入して突き当てる突き当て工程と、
   前記膜電極接合体を前記アノードセパレータと前記カソードセパレータで挟み込む挟持工程とからなる
   ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池単セルの製造方法であって、
   前記二つ折り工程後に、前記折曲部を残して該アノードセパレータと該カソードセパレータを開くセパレータ開き工程を備えた
   ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料電池単セルの製造方法であって、
   前記挟持工程後に、前記折曲部をかしめるかしめ工程を備えた
   ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
8. 請求項７に記載の燃料電池単セルの製造方法であって、
   前記挟持工程後に、前記折曲部の一部を切断する切断工程を備えた
   ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。

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