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JP2008130228A - Fuel cell stack and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2008130228A
JP2008130228A JP2006309883A JP2006309883A JP2008130228A JP 2008130228 A JP2008130228 A JP 2008130228A JP 2006309883 A JP2006309883 A JP 2006309883A JP 2006309883 A JP2006309883 A JP 2006309883A JP 2008130228 A JP2008130228 A JP 2008130228A
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single cell
fuel cell
gas
cell stack
manufacturing
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Takumi Tanaka
拓海 田中
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】燃料電池スタックを構成する単セルごとの発電性能の不均一性を改善する技術を提供する。
【解決手段】セパレータSPを構成する2つのプレートSPc、SPaで、塑性を有するフレーム一体型膜電極接合体MEAfを挟持して熱圧着する単セル10の製造工程において、熱圧着前の仮組みされた単セル10のカソード電極側に高圧空気を流入して、その圧力損失を計測する。圧力損失が所定の範囲におさまるように、仮組みされた単セル10に加える荷重を調整しつつ、単セル10を熱圧着する。この工程に従って製造された圧力損失の差が低減された単セル群を積層することによって燃料電池スタック100を構成する。
【選択図】図7
The present invention provides a technique for improving non-uniformity in power generation performance for each single cell constituting a fuel cell stack.
In a manufacturing process of a single cell 10 in which a frame-integrated membrane electrode assembly MEAf having plasticity is sandwiched between two plates SPc, SPa constituting a separator SP and thermocompression bonding is performed, temporary assembly before thermocompression bonding is performed. Then, high pressure air is introduced into the cathode electrode side of the single cell 10 and the pressure loss is measured. The single cell 10 is thermocompression bonded while adjusting the load applied to the temporarily assembled single cell 10 so that the pressure loss falls within a predetermined range. The fuel cell stack 100 is configured by stacking single cell groups manufactured according to this process and having a reduced pressure loss difference.
[Selection] Figure 7

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は通常、発電モジュールである単セルを積層した燃料電池スタックとして構成される。しかし、燃料電池スタック内の単セルごとの発電性能の差が顕著である場合には、燃料電池スタック全体としての発電効率が低下してしまうおそれがあった。これまでこうした問題に対して種々の技術が提案されてきた(特許文献1等)。   A fuel cell is usually configured as a fuel cell stack in which single cells as power generation modules are stacked. However, when the difference in power generation performance for each single cell in the fuel cell stack is significant, the power generation efficiency of the fuel cell stack as a whole may be reduced. Until now, various techniques have been proposed for such a problem (Patent Document 1, etc.).

特開2000−208161JP 2000-208161 A 特開2003−151604JP2003-151604

例えば特許文献1では、燃料電池スタックの発電中に単セルごとのセル電圧を測定して、その標準偏差を求め、その標準偏差が小さくなるように燃料電池スタックへ供給されるガス流量や負荷電流などを制御する技術が提案されている。しかし、この技術では、セル電圧の標準偏差をある程度抑制することができたとしても、単セルごとの発電性能の差は解消されていない。   For example, in Patent Document 1, the cell voltage for each single cell is measured during power generation of the fuel cell stack, the standard deviation is obtained, and the gas flow rate and load current supplied to the fuel cell stack are reduced so that the standard deviation is reduced. A technique for controlling the above has been proposed. However, with this technique, even if the standard deviation of the cell voltage can be suppressed to some extent, the difference in power generation performance for each single cell has not been eliminated.

また、特許文献2では、単セルを燃料電池スタックに組み付ける前に、供給される酸化ガスの圧力損失を単セルごとに測定し、同程度の圧力損失が生じる単セル同士を組み合わせて燃料電池スタックを構成する技術が提案されている。この方法によれば、同一の燃料電池スタック内における単セルごとの発電性能の差を抑制することは可能であるが、燃料電池スタックごとの発電性能に差が生じてしまう可能性がある。   Further, in Patent Document 2, before assembling a single cell to the fuel cell stack, the pressure loss of the supplied oxidizing gas is measured for each single cell, and the single cells that generate the same pressure loss are combined to form a fuel cell stack. The technology which comprises is proposed. According to this method, it is possible to suppress a difference in power generation performance for each single cell in the same fuel cell stack, but there is a possibility that a difference occurs in power generation performance for each fuel cell stack.

このように、従来は、燃料電池スタックの単セルごとの発電性能の差を低減することに対しては、十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。   Thus, in the past, the actual situation is that no sufficient contrivance has been made to reduce the difference in power generation performance of each unit cell of the fuel cell stack.

本発明は、燃料電池スタックを構成する単セルごとの発電性能の不均一性を改善する技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which improves the nonuniformity of the electric power generation performance for every single cell which comprises a fuel cell stack.

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を構成する発電モジュールである単セルの製造方法であって、(a)セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持して仮組みを行った単セルを準備する工程と、(b)前記単セルに、流入ガスの供給及び排出を行い、前記単セルの流入ガス圧力損失を計測する工程と、(c)前記単セルの流入ガス圧力損失が所定の範囲内となるように前記単セルに荷重を加えつつ、前記膜電極接合体と前記プレートとを接合する工程とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a single cell that is a power generation module constituting a fuel cell, and (a) a membrane electrode assembly is sandwiched between plates constituting a separator and a temporary assembly is performed. A step of preparing the performed single cell; (b) supplying and discharging an inflow gas to the single cell and measuring an inflow gas pressure loss of the single cell; and (c) an inflow gas of the single cell. A step of joining the membrane electrode assembly and the plate while applying a load to the single cell so that the pressure loss is within a predetermined range.

この方法によれば、単セルごとの圧力損失の差を小さくすることができ、圧力損失の差によって生じていた単セルごとの発電性能の不均一性(ばらつき)を改善できる。   According to this method, the difference in pressure loss for each single cell can be reduced, and the non-uniformity (variation) in power generation performance for each single cell, which has been caused by the difference in pressure loss, can be improved.

前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、前記ガス拡散層は、前記工程(c)において前記単セルに加えられる荷重に応じて厚みが変化するものとしても良い。   The membrane electrode assembly may include a plastic gas diffusion layer, and the gas diffusion layer may have a thickness that changes according to a load applied to the single cell in the step (c).

この方法によれば、工程(c)において単セルに加える荷重によって単セルのガス拡散層の厚みが変化し、それによって単セルの圧力損失を調整することができる。   According to this method, the thickness of the gas diffusion layer of the single cell is changed by the load applied to the single cell in the step (c), and thereby the pressure loss of the single cell can be adjusted.

前記セパレータは、ガス流路を有しており、前記工程(c)において、前記単セルに加えられる荷重に応じて前記膜電極接合体の一部が侵入することによって前記ガス流路の実効的な流路断面積が変化するものとしても良い。   The separator has a gas flow path, and in the step (c), an effective part of the gas flow path is obtained when a part of the membrane electrode assembly enters according to a load applied to the single cell. It is also possible to change the cross-sectional area of the flow path.

この方法によれば、工程(c)において単セルに荷重を加えることによって、セパレータに設けられたガス流路に膜電極接合体の一部を侵入させて、ガス流路の実効的な断面積を変化させることができ、それによって単セルの圧力損失を調整することができる。   According to this method, by applying a load to the single cell in the step (c), a part of the membrane electrode assembly is caused to enter the gas flow path provided in the separator, so that the effective cross-sectional area of the gas flow path is increased. Can be changed, thereby adjusting the pressure loss of the single cell.

前記流入ガスは、酸化ガスであるものとしても良い。   The inflow gas may be an oxidizing gas.

この方法によれば、単セルごとの発電性能の差に与える影響が特に大きいカソード電極層側に供給される酸化ガスの圧力損失の差を低減することができる。   According to this method, it is possible to reduce the difference in pressure loss of the oxidizing gas supplied to the cathode electrode layer side that has a particularly large influence on the difference in power generation performance for each single cell.

本発明は、上記製造方法に従って複数の単セルを製造する工程と、(d)前記複数の単セルを積層して燃料電池スタックを組み付ける工程とを備えるものとしても良い。   The present invention may include a step of manufacturing a plurality of single cells according to the above manufacturing method, and (d) a step of stacking the plurality of single cells and assembling a fuel cell stack.

この方法によれば、単セルごとの発電性能の差が所定の範囲内にある燃料電池スタックを製造することができる。   According to this method, it is possible to manufacture a fuel cell stack in which the difference in power generation performance for each single cell is within a predetermined range.

前記工程(c)において加える前記単セルに加える荷重は、前記工程(d)において前記燃料電池スタックに加えられる締結荷重よりも大きいものとしても良い。   The load applied to the single cell applied in the step (c) may be larger than the fastening load applied to the fuel cell stack in the step (d).

この方法によれば、燃料電池スタックを構成する際に加えられる締結荷重によって、各単セルの圧力損失が変化する可能性を低減できる。   According to this method, the possibility that the pressure loss of each single cell changes due to the fastening load applied when the fuel cell stack is configured can be reduced.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、本発明の製造方法によって製造された単セル、その単セルを備えた燃料電池スタック、その燃料電池スタックを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, a single cell manufactured by the manufacturing method of the present invention, a fuel cell stack including the single cell, and a fuel including the fuel cell stack. It can be realized in the form of a battery system, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like.

A.燃料電池スタックの構成:
図1(A)は、本発明の一実施例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。本実施例における燃料電池スタック100は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、その電気化学反応(燃料電池反応)によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、燃料ガスとしては水素が供給され、酸化ガスとしては酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池スタックとしては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
A. Fuel cell stack configuration:
FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell stack as one embodiment of the present invention. The fuel cell stack 100 in this embodiment is a polymer electrolyte fuel cell that receives supply of fuel gas and oxidant gas and generates electric power through its electrochemical reaction (fuel cell reaction). Specifically, hydrogen is supplied as the fuel gas, and high-pressure air containing oxygen is supplied as the oxidizing gas. The fuel cell stack may not be a polymer electrolyte fuel cell, and the present invention can be applied to any of various types of fuel cells.

燃料電池スタック100は、後述する発電モジュールである単セル10を積層したスタック構造を有している。積層された単セル群であるセルスタック40は、エンドプレート20によって挟持され、締結部材30によって荷重を受けて締結される。   The fuel cell stack 100 has a stack structure in which single cells 10 that are power generation modules described later are stacked. The cell stack 40 that is a group of single cells stacked is sandwiched by the end plate 20 and fastened by receiving a load by the fastening member 30.

図1(B)は、単セル10の構成を示す概略図である。単セル10は、後述するフレーム一体型膜電極接合体MEAfとセパレータSPとを備えている。セパレータSPは、後述するアノードプレートSPaとカソードプレートSPcによって構成される2層式セパレータである。単セル10は、フレーム一体型膜電極接合体MEAfが、2つのセパレータSPのうちの一方のカソードプレートSPcと他方のアノードプレートSPaに挟持されることによって構成されている。即ち、単セル10が積層されたセルスタック40は、フレーム一体型膜電極接合体MEAfとセパレータSPとが交互に積層された構造となる。   FIG. 1B is a schematic diagram showing the configuration of the single cell 10. The single cell 10 includes a frame-integrated membrane electrode assembly MEAf and a separator SP, which will be described later. The separator SP is a two-layer separator configured by an anode plate SPa and a cathode plate SPc described later. The single cell 10 is configured by sandwiching a frame-integrated membrane electrode assembly MEAf between one cathode plate SPc and the other anode plate SPa of two separators SP. That is, the cell stack 40 in which the single cells 10 are stacked has a structure in which the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf and the separator SP are alternately stacked.

図2(A)は、フレーム一体型膜電極接合体MEAfの構成を示す概略図である。フレーム一体型膜電極接合体MEAfは、燃料電池反応が行われる発電部11と、それを囲む外周枠であるフレーム部12により構成される。フレーム部12には各単セルに対して水素、空気、冷媒などの供給及び排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が設けられている。具体的には以下の構成となる。   FIG. 2A is a schematic diagram showing the configuration of the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf. The frame-integrated membrane electrode assembly MEAf includes a power generation unit 11 in which a fuel cell reaction is performed and a frame unit 12 that is an outer peripheral frame surrounding the power generation unit 11. The frame portion 12 is provided with manifold holes M1 to M6 which are through holes for supplying and discharging hydrogen, air, refrigerant and the like to each single cell. Specifically, the configuration is as follows.

マニホールド孔M1は水素の供給を担い、マニホールド孔M2は反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔M3は空気の供給を担い、マニホールド孔M4は反応に供されることのなかった酸素や、反応によって生成した水分などを含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔M5、M6はそれぞれ、発電によって生じた燃料電池スタック100の熱を冷却するための冷媒(水)の供給、排出を担う。供給用マニホールド孔M1、M3、M5は、それぞれ対応する排出用マニホールド孔M2、M4、M6と発電部11を挟んで対向する位置に設けられている。なお、マニホールド孔は、他の構成・配置であっても良い。   The manifold hole M1 is responsible for supplying hydrogen, and the manifold hole M2 is responsible for discharging anode exhaust gas containing hydrogen that has not been subjected to the reaction. The manifold hole M3 is responsible for the supply of air, and the manifold hole M4 is responsible for the discharge of cathode exhaust gas containing oxygen that has not been subjected to the reaction and moisture generated by the reaction. The manifold holes M5 and M6 are responsible for supplying and discharging a refrigerant (water) for cooling the heat of the fuel cell stack 100 generated by power generation. The supply manifold holes M1, M3, and M5 are provided at positions facing the corresponding discharge manifold holes M2, M4, and M6 with the power generation unit 11 in between. The manifold holes may have other configurations / arrangements.

図2(B)は、図2(A)に示すB−B切断における断面を示す断面図である。発電部11には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜13が含まれる。電解質膜13は、カソード電極層14cとアノード電極層14aとで挟持されて膜電極接合体MEA(Membrane Electrode Assembly)を構成する。2つの電極層14c、14aにはそれぞれ燃料電池反応を促進するための触媒が担持された触媒層(図示せず)が設けられている。触媒としては、例えば白金(Pt)を採用することができる。   FIG. 2B is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line BB shown in FIG. The power generation unit 11 includes an electrolyte membrane 13 that exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrolyte membrane 13 is sandwiched between the cathode electrode layer 14c and the anode electrode layer 14a to constitute a membrane electrode assembly MEA (Mebrane Electrode Assembly). Each of the two electrode layers 14c and 14a is provided with a catalyst layer (not shown) on which a catalyst for promoting a fuel cell reaction is supported. For example, platinum (Pt) can be employed as the catalyst.

膜電極接合体MEAの2つの電極層14c、14aの電解質膜13と接しない外面には、水素及び空気を電極層14c、14aの全体に行き渡らせるためのガス拡散層15c、15aが設けられている。ガス拡散層15c、15aとしては、カーボンや、焼結金属などの多孔体で構成することができる。また、ガス拡散層15c、15aは、エキスパンドメタルによって構成することもできる。ここで、エキスパンドメタルとは、厚み0.1mm〜0.2mm程度のステンレス等の金属板に千鳥状の切れ目を設け、その切れ目を挟んだ面同士を交互に反対方向へと押し広げることによって、孔径0.1mm〜1mmの多数の貫通孔が段上の網目として形成されたものである。   Gas diffusion layers 15c and 15a are provided on the outer surfaces of the two electrode layers 14c and 14a of the membrane electrode assembly MEA that are not in contact with the electrolyte membrane 13 to spread hydrogen and air over the entire electrode layers 14c and 14a. Yes. The gas diffusion layers 15c and 15a can be made of a porous material such as carbon or sintered metal. Moreover, the gas diffusion layers 15c and 15a can also be comprised by an expanded metal. Here, the expanded metal is provided by staggered cuts in a metal plate such as stainless steel having a thickness of about 0.1 mm to 0.2 mm, and by alternately pushing the surfaces sandwiching the cuts in opposite directions, A large number of through holes having a hole diameter of 0.1 mm to 1 mm are formed as a mesh on the step.

フレーム部12は、2枚の樹脂フレーム12fが接着層12gによって接合された構成を有している。樹脂フレーム12fとしては、フェノール樹脂などを採用できる。ところで、膜電極接合体MEAの電解質膜13は、電極層14c、14aの外周縁から突出した部位である外周端部13eを有している。その外周端部13eが、フレーム部12の樹脂フレーム12fの内周縁で挟持された状態で接着層12gによって保持されることによって、膜電極接合体MEAとフレーム部12とは一体化されている。なお、この外周端部13eによって、燃料電池の発電の際に水素が反応に供されることなくカソード側に移動してしまうクロスリークの発生の可能性が低減されている。   The frame portion 12 has a configuration in which two resin frames 12f are joined by an adhesive layer 12g. A phenol resin or the like can be used as the resin frame 12f. By the way, the electrolyte membrane 13 of the membrane electrode assembly MEA has an outer peripheral end portion 13e which is a portion protruding from the outer peripheral edge of the electrode layers 14c and 14a. The membrane electrode assembly MEA and the frame portion 12 are integrated by the outer peripheral end portion 13e being held by the adhesive layer 12g while being sandwiched by the inner peripheral edge of the resin frame 12f of the frame portion 12. Note that the outer peripheral end portion 13e reduces the possibility of occurrence of a cross leak that causes hydrogen to move to the cathode side without being subjected to a reaction during power generation of the fuel cell.

図3(A)は、セパレータSPを構成するアノードプレートSPaを示す概略図であり、図3(B)〜(D)はそれぞれ、図3(A)に示すB−B切断と、C−C切断と、D−D切断における断面図を示している。アノードプレートSPaは、導電性を有する薄い金属板で構成することができる。アノードプレートSPaは、単セル10として組み付けられた際に、フレーム一体型膜電極接合体MEAfのアノード電極層14a側のガス拡散層15aを被覆する。   FIG. 3A is a schematic diagram showing an anode plate SPa that constitutes the separator SP, and FIGS. 3B to 3D are cross-sectional views taken along the line BB shown in FIG. Sectional drawing in cutting and DD cutting is shown. The anode plate SPa can be composed of a thin metal plate having conductivity. When the anode plate SPa is assembled as a single cell 10, the anode plate SPa covers the gas diffusion layer 15a on the anode electrode layer 14a side of the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf.

アノードプレートSPaには、フレーム一体型膜電極接合体MEAfと同様に貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が設けられている。水素供給用マニホールド孔M1の近傍には水素を単セル10のガス拡散層15aに誘導するための貫通孔である流入孔P1が設けられている。また、水素排出用マニホールド孔M2の近傍には、ガス拡散層15aからアノード排ガスを外部へ誘導するための貫通孔である流出孔P2が設けられている。具体的な水素の流れについては後述する。   Like the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf, the anode plate SPa is provided with manifold holes M1 to M6 which are through holes. An inflow hole P1, which is a through hole for guiding hydrogen to the gas diffusion layer 15a of the single cell 10, is provided in the vicinity of the hydrogen supply manifold hole M1. Further, an outflow hole P2, which is a through hole for guiding the anode exhaust gas from the gas diffusion layer 15a to the outside, is provided in the vicinity of the hydrogen discharge manifold hole M2. A specific flow of hydrogen will be described later.

図4(A)は、セパレータSPを構成するカソードプレートSPcを示す概略図であり、図4(B)〜(D)はそれぞれ、図4(A)に示すB−B切断と、C−C切断と、D−D切断における断面図を示している。カソードプレートSPcは、導電性を有する薄い金属板で構成することができる。カソードプレートSPcは、単セル10として組み付けられた際に、フレーム一体型膜電極接合体MEAfのカソード電極層14c側のガス拡散層15cを被覆する。   FIG. 4A is a schematic view showing a cathode plate SPc constituting the separator SP, and FIGS. 4B to 4D are respectively a BB cut and a CC line shown in FIG. Sectional drawing in cutting and DD cutting is shown. The cathode plate SPc can be formed of a thin metal plate having conductivity. When the cathode plate SPc is assembled as the single cell 10, the cathode plate SPc covers the gas diffusion layer 15c on the cathode electrode layer 14c side of the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf.

カソードプレートSPcには、アノードプレートSPaと同様にマニホールド孔M1〜M6が設けられている。また、カソードプレートSPcには、セパレータSPとして組み付けられた際にアノードプレートSPaと接する面に、厚みが薄く加工された薄肉部位AP、CP、WPが設けられている。即ち、セパレータSPとして組み付けられたとき、これらの薄肉部位AP、CP、WPが、アノードプレートSPaとともに、アノード流路APと、カソード流路CPと、冷媒流路WPとを形成する。   As with the anode plate SPa, manifold holes M1 to M6 are provided in the cathode plate SPc. Further, the cathode plate SPc is provided with thin portions AP, CP, and WP that are processed to be thin on the surface that comes into contact with the anode plate SPa when assembled as the separator SP. That is, when assembled as the separator SP, these thin-walled portions AP, CP, and WP together with the anode plate SPa form the anode channel AP, the cathode channel CP, and the refrigerant channel WP.

2つのアノード流路APはそれぞれ、水素用マニホールド孔M1、M2に連通するように設けられており、アノードプレートSPaの流入孔P1、流出孔P2と連通する。2つのカソード流路CPはそれぞれ、空気用マニホールド孔M3、M5に連通する。空気供給用マニホールド孔M3に連通するカソード流路CPには、ガス拡散層15cに空気を誘導するための貫通孔である流入孔P3が設けられている。空気排出用マニホールド孔M4に連通するカソード流路CPには、ガス拡散層15cから外部へカソード排ガスを誘導するための貫通孔である流出孔P4が設けられている。冷媒流路WPは、冷媒供給用マニホールド孔M5と冷媒排出用マニホールド孔M6とを連通しており、単セル10として組み付けた際に、冷媒が、フレーム一体型膜電極接合体MEAfの発電部11(図2)の全体を冷却できるように設けられている。   The two anode channels AP are provided so as to communicate with the hydrogen manifold holes M1 and M2, respectively, and communicate with the inflow hole P1 and the outflow hole P2 of the anode plate SPa. The two cathode flow paths CP communicate with the air manifold holes M3 and M5, respectively. The cathode flow path CP that communicates with the air supply manifold hole M3 is provided with an inflow hole P3 that is a through hole for guiding air to the gas diffusion layer 15c. The cathode passage CP communicating with the air exhaust manifold hole M4 is provided with an outflow hole P4 which is a through hole for guiding the cathode exhaust gas from the gas diffusion layer 15c to the outside. The refrigerant flow path WP communicates the refrigerant supply manifold hole M5 and the refrigerant discharge manifold hole M6, and when assembled as the single cell 10, the refrigerant flows into the power generation section 11 of the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf. (FIG. 2) is provided so that the whole can be cooled.

図5(A)〜(C)は、燃料電池スタック100として発電を行う際の、単セル10における流体(アノードガス及びカソードガス、冷媒)の流れを説明するための説明図である。なお、本明細書中において「アノードガス」と呼ぶときは、アノード電極層に供給される燃料ガスとアノード排ガスの両方を意味するものとする。また、同様に、「カソードガス」と呼ぶときは、カソード電極層に供給される酸化ガスとカソード排ガスの両方を意味するものとする。   FIGS. 5A to 5C are explanatory diagrams for explaining the flow of fluid (anode gas and cathode gas, refrigerant) in the single cell 10 when generating power as the fuel cell stack 100. In the present specification, the term “anode gas” means both the fuel gas supplied to the anode electrode layer and the anode exhaust gas. Similarly, when referred to as “cathode gas”, it means both oxidizing gas and cathode exhaust gas supplied to the cathode electrode layer.

図5(A)〜(C)は、セルスタック40(図1)の任意の単セル10の各マニホールド孔における断面を示しておいる。具体的には、図5(A)はマニホールド孔M1、M3における断面であり、図5(B)はマニホールド孔M5、M6における断面であり、図5(C)はマニホールド孔M2、M4における断面である。なお、各図には、隣接する単セルのアノードプレートSPa及びカソードプレートSPcも図示されている。   5A to 5C show cross sections in each manifold hole of an arbitrary single cell 10 of the cell stack 40 (FIG. 1). Specifically, FIG. 5A is a cross section at the manifold holes M1 and M3, FIG. 5B is a cross section at the manifold holes M5 and M6, and FIG. 5C is a cross section at the manifold holes M2 and M4. It is. In each figure, the anode plate SPa and cathode plate SPc of adjacent single cells are also shown.

まず、アノードガスの流れを説明する。図5(A)において矢印で示すように、水素供給用マニホールド孔M1に供給された水素の一部は、カソードプレートSPcに設けられたアノード流路APを経て、アノードプレートSPaに設けられた流入孔P1よりガス拡散層15aへと至る。アノード排ガスは、図5(C)の矢印に示すように、アノードプレートSPaに設けられた流出孔P2からカソードプレートSPcに設けられたカソード流路CPへと流れて水素排出用マニホールド孔M2へと至り、燃料電池スタック100の外部へと排出される。   First, the flow of the anode gas will be described. As indicated by arrows in FIG. 5A, a part of the hydrogen supplied to the hydrogen supply manifold hole M1 flows into the anode plate SPa through the anode flow path AP provided in the cathode plate SPc. The hole P1 leads to the gas diffusion layer 15a. As indicated by the arrow in FIG. 5C, the anode exhaust gas flows from the outflow hole P2 provided in the anode plate SPa to the cathode flow path CP provided in the cathode plate SPc and into the hydrogen discharge manifold hole M2. As a result, the fuel cell stack 100 is discharged to the outside.

次に、カソードガスの流れを説明する。図5(A)において矢印で示すように、空気供給用マニホールド孔M3に供給された空気の一部は、カソードプレートSPcに設けられたカソード流路CPを経て、流入孔P3よりガス拡散層15cへと至る。カソード排ガスは、図5(C)の矢印に示すように、ガス拡散層15cからカソードプレートSPcに設けられた流出孔P4とカソードプレートSPcに設けられたカソード流路CPとを経て空気排出用マニホールド孔M4へと至り、燃料電池スタック100の外部へと排出される。   Next, the flow of the cathode gas will be described. As indicated by an arrow in FIG. 5A, a part of the air supplied to the air supply manifold hole M3 passes through the cathode flow path CP provided in the cathode plate SPc, and passes through the gas diffusion layer 15c from the inflow hole P3. It leads to. As shown by an arrow in FIG. 5C, the cathode exhaust gas passes through an outflow hole P4 provided in the cathode plate SPc and a cathode flow path CP provided in the cathode plate SPc from the gas diffusion layer 15c and an air discharge manifold. It reaches the hole M4 and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100.

次に、冷媒の流れを説明する。図5(B)において矢印で示すように、冷媒供給用マニホールド孔M5に供給された冷媒の一部は、カソードプレートSPcに設けられた冷媒流路WPへと流入する。冷媒は、燃料電池反応によって発生した熱とともに冷媒流路WPからそのまま冷媒排出用マニホールド孔M6へと至り、燃料電池スタック100の外部へと排出される。   Next, the flow of the refrigerant will be described. As indicated by arrows in FIG. 5B, a part of the refrigerant supplied to the refrigerant supply manifold hole M5 flows into the refrigerant flow path WP provided in the cathode plate SPc. The refrigerant reaches the refrigerant discharge manifold hole M6 as it is from the refrigerant flow path WP together with the heat generated by the fuel cell reaction, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100.

上記構成により、燃料電池スタック100は各単セル10ごとに発電し、発生した電気はセパレータSPによって集電され、燃料電池スタック100全体としての電力が得られる。一般に、このような燃料電池スタックでは、各単セルごとの発電性能の差が顕著な場合には、燃料電池スタック全体としての発電効率は低下してしまう。そうした単セルの発電性能の差は多くの場合、その製造工程における誤差の発生によって生じているものと考えられる。そこで、以下に本発明の実施例として、単セル10の発電性能の差を低減できる単セル10及び燃料電池スタック100の製造方法を説明する。   With the above configuration, the fuel cell stack 100 generates power for each single cell 10, and the generated electricity is collected by the separator SP, and the power of the fuel cell stack 100 as a whole is obtained. Generally, in such a fuel cell stack, when the difference in power generation performance for each single cell is significant, the power generation efficiency of the fuel cell stack as a whole decreases. In many cases, such a difference in power generation performance between single cells is considered to be caused by an error in the manufacturing process. Therefore, as an embodiment of the present invention, a method for manufacturing the single cell 10 and the fuel cell stack 100 that can reduce the difference in power generation performance of the single cell 10 will be described below.

B.単セル及び燃料電池スタックの製造方法:
図6は、本発明の実施例として単セル10の製造に用いる単セル製造装置200を示す説明図である。この単セル製造装置200は、セパレータSPを構成する2つのプレートSPc、SPaとフレーム一体型膜電極接合体MEAfとを圧着するための装置である。
B. Manufacturing method of single cell and fuel cell stack:
FIG. 6 is an explanatory view showing a single cell manufacturing apparatus 200 used for manufacturing the single cell 10 as an embodiment of the present invention. This single cell manufacturing apparatus 200 is an apparatus for crimping the two plates SPc and SPa constituting the separator SP and the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf.

単セル製造装置200は、単セル10のカソード側から荷重を加えるカソード圧着プレート201とアノード側から荷重を加えるアノード圧着プレート202とを備えている。また、2つの圧着プレート201、202にはそれぞれ、単セル10を挟持した状態で単セル10に熱を加えることができるようにヒーター205が設けられている。また、カソード圧着プレート201には、単セル10と接する面に、アノードプレートSPaと同様の構成を有する隣接アノードプレートSPanが備えられている。同様に、アノード圧着プレート202には、単セル10と接する面に、カソードプレートSPcと同様の構成を有する隣接カソードプレートSPcnが備えられている。   The single cell manufacturing apparatus 200 includes a cathode crimping plate 201 that applies a load from the cathode side of the single cell 10 and an anode crimping plate 202 that applies a load from the anode side. Each of the two crimping plates 201 and 202 is provided with a heater 205 so that heat can be applied to the single cell 10 with the single cell 10 sandwiched therebetween. The cathode crimping plate 201 is provided with an adjacent anode plate SPan having a configuration similar to that of the anode plate SPa on the surface in contact with the single cell 10. Similarly, the anode crimping plate 202 is provided with an adjacent cathode plate SPcn having a configuration similar to that of the cathode plate SPc on the surface in contact with the single cell 10.

単セル製造装置200には、仮組みされた単セル10がセットされる。ここで、仮組みされた単セル10とは、フレーム一体型膜電極接合体MEAfが、カソードプレートSPcとアノードプレートSPaとで挟持されてはいるが、未だ接合されていない状態のものを言う。なお、フレーム一体型膜電極接合体MEAfは、フレーム部12の樹脂フレーム12fが接着層12gによって既に接着された状態であるものとしても良いし、この工程において接着されるものとしても良い。   The temporarily assembled single cell 10 is set in the single cell manufacturing apparatus 200. Here, the temporarily assembled unit cell 10 refers to a state in which the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf is sandwiched between the cathode plate SPc and the anode plate SPa but not yet joined. Note that the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf may be in a state where the resin frame 12f of the frame portion 12 has already been bonded by the adhesive layer 12g, or may be bonded in this step.

図7は、単セル10が2つの圧着プレート201、202及び2つの隣接プレートSPan、SPcnによって挟持された状態を示している。このとき、カソードプレートSPcは、隣接アノードプレートSPanとともに第1の仮のセパレータTS1を構成しており、アノードプレートSPaは、隣接カソードプレートSPcnとともに第2の仮のセパレータTS2を構成している。従って、フレーム一体型膜電極接合体MEAfは、2つの仮のセパレータTS1、TS2によって挟持された状態となる。   FIG. 7 shows a state in which the single cell 10 is sandwiched between two crimping plates 201 and 202 and two adjacent plates SPan and SPcn. At this time, the cathode plate SPc constitutes the first temporary separator TS1 together with the adjacent anode plate SPan, and the anode plate SPa constitutes the second temporary separator TS2 together with the adjacent cathode plate SPcn. Therefore, the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf is sandwiched between the two temporary separators TS1 and TS2.

また、この状態において単セル10の各マニホールド孔M1〜M6は、2つの圧着プレート201、202によって塞がれた状態となる。ただし、カソード圧着プレート201には、この状態で単セル10のカソード電極層側に高圧空気を流入させることができるように、空気用マニホールド孔M3、M5に接続する空気流入路203及び空気流出路204が設けられている。   Further, in this state, the manifold holes M1 to M6 of the single cell 10 are closed by the two crimping plates 201 and 202. However, an air inflow path 203 and an air outflow path connected to the air manifold holes M3 and M5 so that high-pressure air can flow into the cathode crimping plate 201 in this state into the cathode electrode layer side of the single cell 10. 204 is provided.

空気流入路203は、空気供給部210の空気供給配管211と接続される。空気供給部210の空気供給配管211には上流から、エアコンプレッサ212と、調圧バルブ214と、圧力メータ213とが設けられている。また、空気流出路204は、空気排出部220の空気排出配管221と接続される。空気排出部220の空気排出配管221には上流から、圧力メータ222と、調圧バルブ223とが設けられている。なお、空気供給部210及び空気排出部220は、単セル製造装置200に仮組みされた単セル10が挟持される前からカソード圧着プレート201に接続されているものとしても良い。   The air inflow path 203 is connected to the air supply pipe 211 of the air supply unit 210. An air compressor 212, a pressure regulating valve 214, and a pressure meter 213 are provided from the upstream in the air supply pipe 211 of the air supply unit 210. In addition, the air outflow path 204 is connected to the air discharge pipe 221 of the air discharge unit 220. A pressure meter 222 and a pressure regulating valve 223 are provided from the upstream to the air discharge pipe 221 of the air discharge unit 220. The air supply unit 210 and the air discharge unit 220 may be connected to the cathode pressure-bonding plate 201 before the unit cell 10 temporarily assembled in the unit cell manufacturing apparatus 200 is sandwiched.

このような構成とすることによって、この単セル製造装置200では、セパレータSPとフレーム一体型膜電極接合体MEAfとを接合するときに、単セル10に高圧空気を流入することができる。従って、圧力メータ213、222によって、その流入させた高圧空気の圧力損失を計測することができる。なお、「単セルの圧力損失」と言うときは、当該単セルに流入した気体の圧力損失のことを意味するものとする。   With this configuration, in the single cell manufacturing apparatus 200, high-pressure air can flow into the single cell 10 when the separator SP and the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf are bonded. Therefore, the pressure loss of the introduced high-pressure air can be measured by the pressure meters 213 and 222. The term “pressure loss of a single cell” means the pressure loss of the gas flowing into the single cell.

一般に単セルの発電性能は、単セルに流入する燃料ガス及び酸化ガスの圧力損失によって異なってくる。この理由は、セルスタック中では、圧力損失が大きい単セルほど、供給されるガスの流入量が減少してしまうためである。従って、単セルの製造工程において、各単セルの圧力損失の大きさを所定の範囲となるように調整することによって、各単セルごとの発電性能の差を少なくし、燃料電池スタックの発電効率を向上することができる。   In general, the power generation performance of a single cell varies depending on the pressure loss of fuel gas and oxidant gas flowing into the single cell. This is because in the cell stack, the inflow amount of the supplied gas decreases as the single cell has a larger pressure loss. Therefore, in the single cell manufacturing process, by adjusting the magnitude of the pressure loss of each single cell to be within a predetermined range, the difference in power generation performance of each single cell is reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell stack Can be improved.

図8(A)は、単セル製造装置200によって単セル10に加えられる荷重と単セル10の厚みとの関係を示すグラフである。このグラフからも解るように、セル製造装置200によって加えられた荷重に応じて単セルの厚みは薄くなる。これは、単セル10の構成部材のうち、主にガス拡散層15a、15cの厚みが、荷重によって薄くなるためである。   FIG. 8A is a graph showing the relationship between the load applied to the single cell 10 by the single cell manufacturing apparatus 200 and the thickness of the single cell 10. As can be seen from this graph, the thickness of the single cell is reduced according to the load applied by the cell manufacturing apparatus 200. This is because, among the constituent members of the single cell 10, the thicknesses of the gas diffusion layers 15a and 15c are mainly reduced by the load.

図8(B)は、単セル製造装置200によって単セル10に加えられる荷重と単セル10の圧力損失との関係を示すグラフである。このグラフからも解るように、単セル10に加えられる荷重が大きいほど、単セル10の圧力損失が大きくなる傾向にある。これは、単セル10に加重が加えられガス拡散層15a、15cの厚みが薄くなると、ガス拡散層15a、15c中の流体の流路が圧迫されて流体に対する抵抗が増加するため、単セル10の圧力損失が増加するものと考えられる。   FIG. 8B is a graph showing the relationship between the load applied to the single cell 10 by the single cell manufacturing apparatus 200 and the pressure loss of the single cell 10. As can be seen from this graph, the pressure loss of the single cell 10 tends to increase as the load applied to the single cell 10 increases. This is because, when a load is applied to the single cell 10 and the thickness of the gas diffusion layers 15a and 15c is reduced, the flow path of the fluid in the gas diffusion layers 15a and 15c is compressed and the resistance to the fluid increases. It is considered that the pressure loss increases.

そこで、本実施例の単セル製造装置200では、圧力損失が所定の範囲に収まるように単セル10に加える荷重を調整することによって、単セル10の厚みを調整し、各単セル間の圧力損失の差を低減する。具体的には、以下の手順で行う。   Therefore, in the single cell manufacturing apparatus 200 of the present embodiment, the thickness of the single cell 10 is adjusted by adjusting the load applied to the single cell 10 so that the pressure loss falls within a predetermined range, and the pressure between each single cell is adjusted. Reduce the difference in loss. Specifically, the following procedure is used.

単セル10には、高圧空気を流入しても各部材の接触面から空気の漏れが発生しない程度の初期荷重を単セル製造装置200によって加えておき、単セル10に高圧空気を流入して圧力損失を計測する。予め実験などで得た図8(B)のグラフに示すような圧力損失と荷重との関係から、所望の圧力損失を得るために初期荷重に対してさらに加えるべき荷重を得る。これによって得た荷重を加えて、再び圧力損失を計測する。この工程を繰り返して圧力損失を調整することができる。   An initial load is applied to the single cell 10 by the single cell manufacturing apparatus 200 so that air leakage does not occur from the contact surface of each member even when high pressure air flows in. Measure pressure loss. From the relationship between the pressure loss and the load as shown in the graph of FIG. 8B obtained in advance by experiments or the like, a load to be further applied to the initial load is obtained in order to obtain a desired pressure loss. Applying the load thus obtained, the pressure loss is measured again. This process can be repeated to adjust the pressure loss.

所望の圧力損失が得られたときは、ヒーター205によって単セル10を加熱する。このとき、フレーム一体型膜電極接合体MEAfのフレーム部12と各プレートSPa、SPcとは接着面CSにおいて熱融着される。なお、ガス拡散層15a、15cは、荷重が加えられてその厚みが変化した場合に、その後、当該荷重を受けていない状態におかれても、当該変化後の厚みを保持する性質(塑性)を有することが好ましい。このようにすれば、単セル製造装置200による接着工程の後、単セル10の圧力損失が変化することを防ぐことが出来る。   When the desired pressure loss is obtained, the single cell 10 is heated by the heater 205. At this time, the frame portion 12 of the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf and the plates SPa and SPc are heat-sealed on the bonding surface CS. The gas diffusion layers 15a and 15c have a property (plasticity) that retains the thickness after the change even when the load is changed and the thickness of the gas diffusion layers 15a and 15c is not received. It is preferable to have. If it does in this way, it can prevent that the pressure loss of the single cell 10 changes after the adhesion process by the single cell manufacturing apparatus 200.

このように製造した単セル群を図1に示すように燃料電池スタック100として組み付けることによって、従来の燃料電池スタックよりも発電効率の高い燃料電池スタックを得ることができる。なお、燃料電池スタック100として組み付ける際に、締結部材30によってセルスタックに加えられる締結荷重は、単セル製造装置200によって各単セルに加えられた荷重のうち最も小さい荷重より小さくすることが好ましい。このようにすれば、燃料電池スタックとして単セル10が組み付けられた際に、単セル10の圧力損失が、締結部材30から受ける締結荷重によって変化してしまうことを抑制できる。従って、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制できる。   By assembling the single cell group thus manufactured as a fuel cell stack 100 as shown in FIG. 1, a fuel cell stack having higher power generation efficiency than the conventional fuel cell stack can be obtained. When the fuel cell stack 100 is assembled, the fastening load applied to the cell stack by the fastening member 30 is preferably smaller than the smallest load among the loads applied to each single cell by the single cell manufacturing apparatus 200. If it does in this way, when unit cell 10 is assembled as a fuel cell stack, it can control that the pressure loss of unit cell 10 changes with the conclusion load received from fastening member 30. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency of the fuel cell stack.

C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

C1.変形例1:
上記実施例において、セパレータSPは2枚のプレートSPa、SPcによって構成される2層式セパレータであったが、セパレータSPとしては2層式のものでなくとも良い。例えば、アノードプレートとカソードプレートとの間に中間プレートを有する3層式セパレータであっても良い。また、フレーム一体型膜電極接合体MEAfは、フレーム部12に替えてシールガスケットなどのシール部材を膜電極接合体MEAの外周縁に成形したシール一体型膜電極接合体としても良い。
C1. Modification 1:
In the above embodiment, the separator SP is a two-layer separator composed of two plates SPa and SPc. However, the separator SP may not be a two-layer separator. For example, a three-layer separator having an intermediate plate between the anode plate and the cathode plate may be used. The frame-integrated membrane electrode assembly MEAf may be a seal-integrated membrane electrode assembly in which a sealing member such as a seal gasket is formed on the outer periphery of the membrane electrode assembly MEA instead of the frame portion 12.

C2.変形例2:
上記実施例のセパレータSPに代えて、膜電極接合体MEAfと接する面に溝状のガス流路が設けられているセパレータを採用するものとしても良い。この場合には、単セル製造装置200によって単セルに加えられる荷重に応じて膜電極接合体MEAfの一部(例えばガス拡散層15a、15c)がガス流路に侵入するため、ガス流路における実効的な流路断面積が減少し、圧力損失が増加する。従って、この構成によっても単セルの圧力損失を調整することができ、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。なお、この場合には、膜電極接合体MEAfにはガス拡散層15a、15cが設けられていなくとも良い。
C2. Modification 2:
Instead of the separator SP of the above embodiment, a separator in which a groove-like gas flow path is provided on the surface in contact with the membrane electrode assembly MEAf may be adopted. In this case, since part of the membrane electrode assembly MEAf (for example, the gas diffusion layers 15a and 15c) enters the gas flow path according to the load applied to the single cell by the single cell manufacturing apparatus 200, The effective channel cross-sectional area decreases and the pressure loss increases. Therefore, the pressure loss of the single cell can be adjusted also with this configuration, and the decrease in power generation efficiency of the fuel cell can be suppressed. In this case, the gas electrode diffusion layers 15a and 15c may not be provided in the membrane electrode assembly MEAf.

C3.変形例3:
上記実施例において、カソードガスの圧力損失を計測して単セル10に加える荷重を調整していたが、アノードガスの圧力損失を計測するものとしても良い。ただし、水素は反応速度が速いため、水素の供給量の差(圧力損失の差)によって発電性能の差は生じにくい。一方、上記実施例のように空気を酸化ガスとして用いている場合には、空気中では酸素濃度が低い(約20%程度)ため、その供給量の差によって発電性能の差は生じやすい。また、カソードガスの圧力によってカソード電極側の排水性を向上しているような場合には、圧力損失によってカソードガスの流速が低下すると、カソード電極側が水分過多となる、いわゆるフラッディングが発生し、発電性能が低下する。即ち、この場合にも圧力損失の差による発電性能の差は生じやすい。従って、上記実施例のようにカソードガスの圧力損失を計測する方が好ましい。
C3. Modification 3:
In the above embodiment, the pressure loss of the cathode gas is measured and the load applied to the single cell 10 is adjusted. However, the pressure loss of the anode gas may be measured. However, since the reaction rate of hydrogen is high, a difference in power generation performance hardly occurs due to a difference in hydrogen supply amount (difference in pressure loss). On the other hand, when air is used as the oxidizing gas as in the above embodiment, the oxygen concentration is low (about 20%) in the air, so that a difference in power generation performance is likely to occur due to the difference in supply amount. In addition, when the cathode gas pressure improves the drainage performance on the cathode electrode side, if the cathode gas flow rate decreases due to pressure loss, so-called flooding occurs, which causes excessive moisture on the cathode electrode side, generating power. Performance decreases. That is, even in this case, a difference in power generation performance due to a difference in pressure loss is likely to occur. Therefore, it is preferable to measure the pressure loss of the cathode gas as in the above embodiment.

C4.変形例4:
上記実施例において、フレーム一体型膜電極接合体MEAfと2つのプレートSPa、SPcとは熱圧着されていたが、熱圧着以外の方法で接合されるものとしても良い。例えば、接着剤を用いて接合されるものとしても良い。この場合には、単セル製造装置200にはヒーター205がなくとも良い。
C4. Modification 4:
In the above embodiment, the frame-integrated membrane electrode assembly MEAf and the two plates SPa, SPc are thermocompression bonded, but may be bonded by a method other than thermocompression bonding. For example, it is good also as what is joined using an adhesive agent. In this case, the single cell manufacturing apparatus 200 may not have the heater 205.

C5.変形例5:
上記実施例において、ガス拡散層15a、15cを塑性を有しない部材で構成するものとしても良く、単セル10が全体として、荷重を受けることによって単セル10の圧力損失が変化するように構成されているものとしても良い。例えば、単セル10に荷重を加えることによって、セパレータSPに設けられたカソード流路の断面積が減少して圧力損失が増加するような構成としても良い。
C5. Modification 5:
In the above embodiment, the gas diffusion layers 15a and 15c may be made of a member having no plasticity, and the single cell 10 as a whole is configured such that the pressure loss of the single cell 10 changes by receiving a load. It may be good. For example, by applying a load to the single cell 10, the cross-sectional area of the cathode channel provided in the separator SP may be reduced and the pressure loss may be increased.

燃料電池スタック及び単セルの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a fuel cell stack and a single cell. フレーム一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a frame-integrated membrane electrode assembly. セパレータを構成するアノードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the anode plate which comprises a separator. セパレータを構成するカソードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the cathode plate which comprises a separator. 単セルにおける流体の流れを説明するための概略図。Schematic for demonstrating the flow of the fluid in a single cell. 単セル製造装置を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating a single cell manufacturing apparatus. 単セル製造装置を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating a single cell manufacturing apparatus. 単セルに加えられる荷重と単セルの厚みとの関係を示すグラフと、単セルに加えられる荷重と単セルの圧力損失との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the load applied to a single cell, and the thickness of a single cell, and the graph which shows the relationship between the load applied to a single cell, and the pressure loss of a single cell.

符号の説明Explanation of symbols

10…単セル
11…発電部
12…フレーム部
12f…樹脂フレーム
12g…接着層
13…電解質膜
13e…外周端部
14a…アノード電極層
14c…カソード電極層
15a、15c…ガス拡散層
20…エンドプレート
30…締結部材
40…セルスタック
100…燃料電池スタック
200…単セル製造装置
201…カソード圧着プレート
202…アノード圧着プレート
203…空気流入路
204…空気流出路
205…ヒーター
210…空気供給部
211…空気供給配管
212…エアコンプレッサ
213…圧力メータ
214…調圧バルブ
220…空気排出部
221…空気排出配管
222…圧力メータ
223…調圧バルブ
AP…アノード流路
CP…カソード流路
CS…接着面
M1〜M6…マニホールド孔
MEA…膜電極接合体
MEAf…フレーム一体型膜電極接合体
P1、P3…流入孔
P2、P4…流出孔
SP…セパレータ
SPa…アノードプレート
SPan…隣接アノードプレート
SPc…カソードプレート
SPcn…隣接カソードプレート
TS1、TS2…仮のセパレータ
WP…冷媒流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Single cell 11 ... Power generation part 12 ... Frame part 12f ... Resin frame 12g ... Adhesive layer 13 ... Electrolyte film 13e ... Outer peripheral edge part 14a ... Anode electrode layer 14c ... Cathode electrode layer 15a, 15c ... Gas diffusion layer 20 ... End plate DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Fastening member 40 ... Cell stack 100 ... Fuel cell stack 200 ... Single cell manufacturing apparatus 201 ... Cathode pressure bonding plate 202 ... Anode pressure bonding plate 203 ... Air inflow path 204 ... Air outflow path 205 ... Heater 210 ... Air supply part 211 ... Air Supply pipe 212 ... Air compressor 213 ... Pressure meter 214 ... Pressure control valve 220 ... Air discharge part 221 ... Air discharge pipe 222 ... Pressure meter 223 ... Pressure control valve AP ... Anode channel CP ... Cathode channel CS ... Adhesion surface M1 M6 ... Manifold hole MEA ... Membrane electrode bonding MEAf: Frame-integrated membrane electrode assembly P1, P3 ... Inflow hole P2, P4 ... Outflow hole SP ... Separator SPa ... Anode plate SPan ... Adjacent anode plate SPc ... Cathode plate SPcn ... Adjacent cathode plate TS1, TS2 ... Temporary separator WP ... Refrigerant flow path

Claims (9)

燃料電池を構成する発電モジュールである単セルの製造方法であって、
(a)セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持して仮組みを行った単セルを準備する工程と、
(b)前記単セルに、流入ガスの供給及び排出を行い、前記単セルの流入ガス圧力損失を計測する工程と、
(c)前記単セルの流入ガス圧力損失が所定の範囲内となるように前記単セルに荷重を加えつつ、前記膜電極接合体と前記プレートとを接合する工程と、
を備えることを特徴とする、製造方法。
A method of manufacturing a single cell, which is a power generation module constituting a fuel cell,
(A) preparing a single cell that is temporarily assembled by sandwiching a membrane electrode assembly with a plate constituting a separator;
(B) supplying and discharging inflow gas to and from the single cell, and measuring the inflow gas pressure loss of the single cell;
(C) joining the membrane electrode assembly and the plate while applying a load to the single cell so that the inflow gas pressure loss of the single cell is within a predetermined range;
A manufacturing method comprising:
請求項1に記載の製造方法であって、
前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、
前記ガス拡散層は、前記工程(c)において前記単セルに加えられる荷重に応じて厚みが変化する、製造方法。
The manufacturing method according to claim 1,
The membrane electrode assembly includes a gas diffusion layer having plasticity,
The said gas diffusion layer is a manufacturing method with which thickness changes according to the load applied to the said single cell in the said process (c).
請求項1または請求項2に記載の製造方法であって、
前記セパレータは、ガス流路を有しており、
前記工程(c)において、前記単セルに加えられる荷重に応じて前記膜電極接合体の一部が前記ガス流路に侵入することによって前記ガス流路の実効的な流路断面積が変化する、製造方法。
The manufacturing method according to claim 1 or 2,
The separator has a gas flow path,
In the step (c), an effective channel cross-sectional area of the gas channel changes when a part of the membrane electrode assembly enters the gas channel according to a load applied to the single cell. ,Production method.
請求項1ないし請求項3に記載の製造方法であって、
前記流入ガスは、酸化ガスである、製造方法。
It is a manufacturing method of Claim 1 thru | or 3, Comprising:
The manufacturing method, wherein the inflow gas is an oxidizing gas.
燃料電池スタックの製造方法であって、
請求項1ないし請求項4に記載の製造方法に従って複数の単セルを製造する工程と、
(d)前記複数の単セルを積層して燃料電池スタックを組み付ける工程と、
を備える、製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell stack, comprising:
Producing a plurality of single cells according to the production method according to claim 1;
(D) stacking the plurality of single cells and assembling a fuel cell stack;
A manufacturing method comprising:
請求項5に記載の製造方法であって、
前記工程(c)において前記単セルに加える荷重は、前記工程(d)において前記燃料電池スタックに加えられる締結荷重よりも大きい、製造方法。
It is a manufacturing method of Claim 5, Comprising:
The manufacturing method in which the load applied to the single cell in the step (c) is larger than the fastening load applied to the fuel cell stack in the step (d).
燃料電池スタックであって、
セパレータを構成するプレートで膜電極接合体を挟持した複数の単セルを備え、
前記複数の単セルは、各単セルへの流入ガスの圧力損失が所定の範囲内となるように、各単セルごとの厚みが調整されていることを特徴とする、燃料電池スタック。
A fuel cell stack,
Provided with a plurality of single cells sandwiching the membrane electrode assembly with the plate constituting the separator,
The fuel cell stack, wherein the thickness of each of the plurality of single cells is adjusted so that the pressure loss of the gas flowing into each single cell is within a predetermined range.
請求項7に記載の燃料電池スタックであって、
前記膜電極接合体は、塑性を有するガス拡散層を含み、
前記単セルは、前記ガス拡散層の厚みによって前記圧力損失が調整されている、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 7, wherein
The membrane electrode assembly includes a gas diffusion layer having plasticity,
The unit cell is a fuel cell stack in which the pressure loss is adjusted by the thickness of the gas diffusion layer.
請求項7または請求項8に記載の燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、ガス流路を有しており、
前記単セルは、前記膜電極接合体の一部を前記ガス流路に侵入させる量によって前記圧力損失が調整されている、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 7 or 8, wherein
The separator has a gas flow path,
The unit cell is a fuel cell stack in which the pressure loss is adjusted by an amount by which a part of the membrane electrode assembly penetrates into the gas flow path.
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