JP7421582B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池スタックに関する研究開発が行われている。
特許文献１では、燃料電池スタックの製造方法が開示されている。特許文献１の燃料電池スタックでは、複数の発電セルが積層される。発電セルは、膜電極構造体と、当該膜電極構造体を挟持する第１金属セパレータ及び第２金属セパレータを有する。第１金属セパレータ及び第２金属セパレータには、膜電極構造体に向かって突出するビード部（ビードシール）が設けられている。これらビード部の頂部にはシール部材が配設されている。
特許文献１の製造方法では、複数の発電セルが積層された後、第１金属セパレータと第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が供給される。この圧力媒体によって、膜電極構造体の樹脂枠にシール部材が密着される。
しかし、積層される各発電セルの膜電極構造体の厚さにはばらつきがある。このばらつきが大きいと、発電効率が低下することが懸念される。
本発明は、上述の課題を解決することを目的とする。
本発明の一態様は、燃料電池スタックの製造方法であって、膜電極構造体と、前記膜電極構造体を挟持する一対のセパレータプレートと、シール部材とを含む発電セルを複数積層する積層工程と、前記積層工程で積層された複数の前記発電セルに圧縮荷重を付与する圧縮工程と、を含み、前記セパレータプレートは、前記膜電極構造体と対向し、流体を前記セパレータプレートの面方向に流通させる流体流路部と、前記流体流路部の外周を囲い、前記膜電極構造体よりも外側で、前記セパレータプレートの厚さ方向に突出したビード部と、を有し、前記シール部材は、一対の前記セパレータプレートの各々の前記ビード部の間に設けられ、前記シール部材の弾性限界は、前記膜電極構造体の弾性限界よりも大きく、前記圧縮工程は、前記膜電極構造体が塑性変形され、かつ、前記シール部材が弾性限界を超えないように、前記圧縮荷重を付与する。
本発明の態様によれば、各発電セルの膜電極構造体の厚さに生じるばらつきが大きくなることを抑制することができる。その結果、発電効率が低下することを抑制することができ、延いてはエネルギーの効率化に寄与する。また、発電セルからの過荷重を防止できる。その結果、スタックケースの強度を抑えて、燃料電池スタックの全体を軽量化し、かつ、小型化し得る。
図１は、燃料電池スタック１０の斜視図である。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない電気自動車等の車両に搭載して用いることや、定置型として用いること等が可能である。燃料電池スタック１０は、発電セル積層体１２を備える。発電セル積層体１２は、複数の発電セル１４を積層方向（矢印Ａ方向）に積層して構成される。発電セル積層体１２の積層方向の一端側（矢印Ａ１側）には、ターミナルプレート１８ａ、インシュレータ２０ａ及びエンドプレート２２ａが外方に向かってこの順に配設されている。また、発電セル積層体１２の積層方向の他端側（矢印Ａ２側）には、ターミナルプレート１８ｂ、インシュレータ２０ｂ及びエンドプレート２２ｂが外方に向かってこの順に配設されている。
インシュレータ２０ａ、２０ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料から形成される。なお、インシュレータ２０ａ、２０ｂのそれぞれは、積層方向に重ね合わされた複数枚（例えば、２枚）から構成してもよい。
エンドプレート２２ａ、２２ｂの各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２２ａ、２２ｂの内面にボルト等を介して固定され、発電セル積層体１２に積層方向の圧縮荷重（締付荷重）を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２２ａ、２２ｂを端板とする筐体を備え、該筐体内に発電セル積層体１２等を収容するように構成してもよい。
図２に示すように、発電セル１４は、樹脂枠付きＭＥＡ２６と、セパレータ２８とを有する。樹脂枠付きＭＥＡ２６は、膜電極構造体３０と、膜電極構造体３０の外周を囲む樹脂枠部材３２とで構成される。
膜電極構造体３０は、電解質膜３４と、該電解質膜３４の一方（矢印Ａ２側）の面に設けられたアノード電極３６と、電解質膜３４の他方（矢印Ａ１側）の面に設けられたカソード電極３８とを有する。
電解質膜３４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜等の固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）であり、アノード電極３６及びカソード電極３８に挟持される。なお、電解質膜３４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することもできる。
アノード電極３６は、何れも不図示のアノード電極触媒層及びアノードガス拡散層を有する。アノード電極触媒層は、電解質膜３４の一方（矢印Ａ２側）の面に接合される。アノードガス拡散層は、アノード電極触媒層に積層される。カソード電極３８は、何れも不図示のカソード電極触媒層及びカソードガス拡散層を有する。カソード電極触媒層は、電解質膜３４の他方（矢印Ａ１側）の面に接合される。カソードガス拡散層は、カソード電極触媒層に積層される。
アノード電極触媒層は、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、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。カソード電極触媒層は、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、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。
カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質シートから形成される。カソード電極触媒層とカソードガス拡散層との間、及びアノード電極触媒層とアノードガス拡散層との間の少なくとも一方に、多孔質層（不図示）を設けてもよい。
樹脂枠部材３２は、額縁状であり、例えば、その内周端縁部が、膜電極構造体３０の外周縁部に接合されている。このように膜電極構造体３０の外周に樹脂枠部材３２を設けることで、比較的高額な電解質膜３４について、１枚の発電セル１４を構成するために必要とされる分の面積を小さくすること等が可能になる。
樹脂枠部材３２と膜電極構造体３０との接合構造は特に限定されるものではないが、例えば、カソードガス拡散層の外周端縁部とアノードガス拡散層の外周端縁部との間に樹脂枠部材３２の内周端縁部が挟持されることとしてもよい。この場合、樹脂枠部材３２の内周端面は、電解質膜３４の外周端面に近接してもよいし、当接してもよいし、重なってもよい。
上記の接合構造に代えて、電解質膜３４の外周縁部をカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層よりも外方に突出させ、該電解質膜３４の外周縁部の両側に枠形状のフィルムを設けることで樹脂枠部材３２を構成してもよい。すなわち、樹脂枠部材３２は、積層された複数枚の枠状のフィルムが接着剤等により接合されることで構成されてもよい。
図１及び図２に示すように、発電セル１４、エンドプレート２２ａ、２２ｂ及びインシュレータ２０ａ、２０ｂの長辺方向の一端側（矢印Ｂ１側）には、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと、冷却媒体入口連通孔４２ａと、燃料ガス出口連通孔４４ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。発電セル１４、エンドプレート２２ａ、２２ｂ及びインシュレータ２０ａ、２０ｂの長辺方向の他端側（矢印Ｂ２側）には、燃料ガス入口連通孔４４ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂと、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
酸化剤ガス入口連通孔４０ａには、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。冷却媒体入口連通孔４２ａは、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等の少なくとも何れかが冷却媒体として供給される。燃料ガス出口連通孔４４ｂからは、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが排出される。燃料ガス入口連通孔４４ａには、燃料ガスが供給される。冷却媒体出口連通孔４２ｂからは、冷却媒体が排出される。酸化剤ガス出口連通孔４０ｂからは、酸化剤ガスが排出される。
発電セル積層体１２における各発電セル１４、エンドプレート２２ａ、２２ｂ及びインシュレータ２０ａ、２０ｂのそれぞれに設けられた酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、積層方向に互いに連通する。つまり、酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、エンドプレート２２ａ、インシュレータ２０ａ、２０ｂ、発電セル積層体１２を積層方向に貫通する。同様に、冷却媒体入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂのそれぞれも、エンドプレート２２ａ、２２ｂ、インシュレータ２０ａ、２０ｂ、発電セル積層体１２を積層方向に貫通する。
本実施形態では、各発電セル１４に対して、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ（以下、これらを総称して単に「連通孔」ともいう）がそれぞれ１個ずつ設けられている例を示す。しかしながら、各発電セル１４に設けられる各連通孔の個数は特に限定されず、単数であってもよく、複数であってもよい。また、各連通孔の形状及び配置も、図１及び図２に記載の本実施形態のものには限定されず、要求される仕様に応じて適宜設定することができる。
図２に示すように、セパレータ２８は、矢印Ｃ方向に互いに対向する一組の長辺と、矢印Ｂ方向に互いに対向する一組の短辺とを有する矩形状である。セパレータ２８は、セパレータプレート４６、４８の外周を一体に接合することで形成される。この接合には、溶接、ろう付け、かしめ等が用いられる。以下、セパレータプレート４６は、第１セパレータプレート４６と称する。また、セパレータプレート４８は、第２セパレータプレート４８と称する。
第１セパレータプレート４６及び第２セパレータプレート４８の各々は、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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。なお、セパレータ２８の外縁には、絶縁性樹脂材料が設けられていてもよい。
セパレータ２８として発電セル積層体１２に組み込まれた第１セパレータプレート４６及び第２セパレータプレート４８のそれぞれは、樹脂枠付きＭＥＡ２６に向かう面であるＭＥＡ側面４６ａ、４８ａと、その裏面である冷媒側面４６ｂ、４８ｂとを有する。
第１セパレータプレート４６のＭＥＡ側面４６ａには、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の突条部が設けられている。これらの突条部同士の間の溝内に直線状の流体流路部５０が設けられている。なお、突条部及び流体流路部５０は波状であってもよい。以下、流体流路部５０は、酸化剤ガス流路部５０と称する。酸化剤ガス流路部５０は、膜電極構造体３０のカソード電極３８と対向し、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路部５０は、セパレータ２８の面方向（矢印Ｂ、Ｃ方向）に流体（酸化剤ガス）を流通させる。
また、第１セパレータプレート４６のＭＥＡ側面４６ａには、ビード部５２ａが、プレス成形等により一体に設けられている。ビード部５２ａは、樹脂枠付きＭＥＡ２６に向かって第１セパレータプレート４６の厚さ方向に突出する。
ビード部５２ａは、膜電極構造体３０よりも外側に配置される。ビード部５２ａは、酸化剤ガス流路部５０、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂの外周を一体に囲う。これにより、ビード部５２ａは、酸化剤ガス流路部５０、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを互いに連通させる。また、ビード部５２ａは、燃料ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂのそれぞれを個別に囲う。これにより、ビード部５２ａは、酸化剤ガス流路部５０に対する燃料ガス、冷却媒体の流入を防止する。
第２セパレータプレート４８のＭＥＡ側面４８ａには、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の突条部が設けられている。これらの突条部同士の間の溝内に直線状の流体流路部５４が設けられている。なお、突条部及び流体流路部５４は波状であってもよい。以下、流体流路部５４は、燃料ガス流路部５４と称する。燃料ガス流路部５４は、膜電極構造体３０のアノード電極３６と対向し、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路部５４は、セパレータ２８の面方向（矢印Ｂ、Ｃ方向）に流体（燃料ガス）を流通させる。
また、第２セパレータプレート４８のＭＥＡ側面４８ａには、ビード部５２ｂが、プレス成形等により一体に設けられている。ビード部５２ｂは、樹脂枠付きＭＥＡ２６に向かって第２セパレータプレート４８の厚さ方向に突出する。
ビード部５２ｂは、膜電極構造体３０よりも外側に配置される。ビード部５２ｂは、燃料ガス流路部５４、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂの外周を一体に囲う。これにより、ビード部５２ｂは、燃料ガス流路部５４、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂを互いに連通させる。また、ビード部５２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び各冷却媒体出口連通孔４２ｂのそれぞれを個別に囲う。これにより、ビード部５２ｂは、燃料ガス流路部５４に対する酸化剤ガス、冷却媒体の流入を防止する。
互いに対向する第１セパレータプレート４６の冷媒側面４６ｂと第２セパレータプレート４８の冷媒側面４８ｂとの間には、流体流路部５６が設けられる。以下、流体流路部５６は、冷却媒体流路部５６と称する。冷却媒体流路部５６は、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに流体的に連通しており、流体（冷却媒体）をセパレータ２８の面方向（矢印Ｂ、Ｃ方向）に流通させる。
冷却媒体流路部５６は、酸化剤ガス流路部５０が形成された第１セパレータプレート４６のＭＥＡ側面４６ａの裏面形状と、燃料ガス流路部５４が形成された第２セパレータプレート４８のＭＥＡ側面４８ａの裏面形状とが重なり合って形成される。なお、互いに対向する第１セパレータプレート４６及び第２セパレータプレート４８の冷媒側面４６ｂ、４８ｂにおいて、連通孔の周囲同士は、溶接、ろう付け等によって接合されている。
一対のセパレータ２８の一方の第１セパレータプレート４６のビード部５２ａ（図２参照）と、一対のセパレータ２８の他方の第２セパレータプレート４８のビード部５２ｂ（図２参照）との間には、シール部材５８が設けられる。
図３に示すように、シール部材５８は、シール部材５８ａ及びシール部材５８ｂを含む。シール部材５８ａは、ビード部５２ａの頂部に取り付けられる。シール部材５８ａは、ビード部５２ａの頂部に接着されてもよい。或いは、シール部材５８ａは、ビード部５２ａの頂部に形成される溝等に嵌め込まれてもよい。
シール部材５８ｂは、ビード部５２ｂの頂部に取り付けられる。シール部材５８ｂは、ビード部５２ｂの頂部に接着されてもよい。或いは、シール部材５８ｂは、ビード部５２ｂの頂部に形成される溝等に嵌め込まれてもよい。シール部材５８ａ及びシール部材５８ｂは、流体（酸化剤ガス、燃料ガス又は冷却媒体）の漏れを防止するために、樹脂枠部材３２に圧接される。
以下、燃料電池スタック１０の製造方法の一例について説明する。図４に示すように、燃料電池スタック１０の製造方法は、成形工程Ｐ１、接合工程Ｐ２、シール取付工程Ｐ３、プリプレス工程Ｐ４、積層工程Ｐ５、圧縮工程Ｐ６、スペーサ選定工程Ｐ７、締結工程Ｐ８を含む。
成形工程Ｐ１は、セパレータプレートを成形する工程である。成形工程Ｐ１では、例えば、プレートが所定の圧力でプレスされることでセパレータプレートが成形される。成形されるセパレータプレートは、第１セパレータプレート４６として扱い得る。この場合、成形工程Ｐ１によってビード部５２ａが成形される。また、成形されるセパレータプレートは、第２セパレータプレート４８として扱い得る。この場合、成形工程Ｐ１によってビード部５２ｂが成形される。
接合工程Ｐ２は、２枚のセパレータプレート（第１セパレータプレート４６及び第２セパレータプレート４８）を接合する工程である。接合工程Ｐ２では、第１セパレータプレート４６の冷媒側面４６ｂと第２セパレータプレート４８の冷媒側面４８ｂとが対向する状態で、当該第１セパレータプレート４６と第２セパレータプレート４８とが溶接等により接合される。接合工程Ｐ２によって、１枚のセパレータ２８が得られる。
シール取付工程Ｐ３は、シール部材５８を取り付ける工程である。図５に示すように、シール取付工程Ｐ３では、第１合計長ＴＬ１が第２合計長ＴＬ２以下となるように、シール部材５８の厚さＳＴが選定される。
第１合計長ＴＬ１は、シール部材５８の厚さＳＴ、ビード部５２ａの高さＢＨ１及びビード部５２ｂの高さＢＨ２を合わせた発電セル１４の積層方向の厚さに相当する。第２合計長ＴＬ２は、膜電極構造体３０の厚さＭＴ及び流体流路部の高さＣＨを合わせた発電セル１４の積層方向の厚さに相当する。なお、シール部材５８の厚さＳＴは、シール部材５８ａの厚さＳＴ１とシール部材５８ｂの厚さＳＴ２とを合わせた厚さである。また、流体流路部の高さＣＨは、酸化剤ガス流路部５０の高さＣＨ１と燃料ガス流路部５４の高さＣＨ２とを合わせた高さである。
シール取付工程Ｐ３では、選定されたシール部材５８のシール部材５８ａが例えば接着によりビード部５２ａの頂部に取り付けられる。また、選定されたシール部材５８のシール部材５８ｂが例えば接着によりビード部５２ｂの頂部に取り付けられる。
プリプレス工程Ｐ４は、シール部材５８が取り付けられたセパレータ２８をプレスする工程である。プリプレス工程Ｐ４では、例えば、シール部材５８が取り付けられたセパレータ２８がプレスされる。このプリプレス工程Ｐ４によって、シール部材５８が取り付けられたセパレータ２８の高さが、所定の高さに調整される。
積層工程Ｐ５は、発電セル１４を複数積層する工程である。積層工程Ｐ５では、図６に示すように、発電セル１４の構成要素であるセパレータ２８、樹脂枠付きＭＥＡ２６、セパレータ２８が、この順で繰り返し積層される。
圧縮工程Ｐ６は、積層された複数の発電セル１４に圧縮荷重を付与する工程である。図７に示すように、圧縮工程Ｐ６では、積層された複数の発電セル１４に、所定の圧縮荷重が付与される。この圧縮荷重の付与によって、膜電極構造体３０、ビード部５２ａ、５２ｂ、シール部材５８が圧縮される。その後、圧縮荷重が開放されると、発電セル積層体１２が得られる（図１参照）。
圧縮荷重が開放された場合、ビード部５２ａ、５２ｂ、シール部材５８は、圧縮荷重を付与する前の状態に復帰する。一方、膜電極構造体３０は、圧縮荷重を付与する前の状態に復帰しないが、膜電極構造体３０の厚さＭＴは、圧縮荷重の付与中よりも僅かに大きくなる。
つまり、圧縮工程Ｐ６では、樹脂枠付きＭＥＡ２６の膜電極構造体３０が塑性変形され、かつ、シール部材５８が弾性限界を超えないように、圧縮荷重が付与される。なお、シール部材５８の弾性限界は、膜電極構造体３０の弾性限界よりも大きい。そのため、シール部材５８が弾性限界を超えずに、膜電極構造体３０が塑性変形され得る。また、セパレータ２８（ビード部５２ａ、５２ｂ）の弾性限界は、シール部材５８の弾性限界よりも大きい。そのため、シール部材５８が弾性限界を超えなければ、セパレータ２８も弾性限界を超えない。
スペーサ選定工程Ｐ７は、スペーサを選定する工程である。スペーサは、一対のターミナルプレート１８ａ、１８ｂ（図１）と、一対のインシュレータ２０ａ、２０ｂ（図１）と、一対のエンドプレート２２ａ、２２ｂ（図１）と含む。スペーサ選定工程Ｐ７では、発電セル１４の積層数等に応じて、スペーサの厚さ、組み合わせ等が選定される。
締結工程Ｐ８は、発電セル積層体１２をスペーサに締結する工程である。締結工程Ｐ８では、図１に示すように、発電セル積層体１２の積層方向の一端側（矢印Ａ１側）に、ターミナルプレート１８ａ、インシュレータ２０ａ及びエンドプレート２２ａが外方に向かってこの順に配設される。また、発電セル積層体１２の積層方向の他端側（矢印Ａ２側）に、ターミナルプレート１８ｂ、インシュレータ２０ｂ及びエンドプレート２２ｂが外方に向かってこの順に配設される。さらに、エンドプレート２２ａ、２２ｂの間に連結バー２４が配置され、連結バー２４の両端がエンドプレート２２ａ、２２ｂの内面にボルト等を介して固定される。これにより、発電セル積層体１２に積層方向の締付荷重が付与される。この締付荷重は、圧縮工程Ｐ６で付与される圧縮荷重と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
次に、圧縮工程Ｐ６の圧縮制御に関して説明する。図８に示すように、圧縮工程Ｐ６に用いられる治具６０は、第１プレス片６２と、第２プレス片６４と、制御装置６６とを有する。制御装置６６は、第１プレス片６２及び第２プレス片６４を制御して、第１プレス片６２と第２プレス片６４との間に積層される複数の発電セル１４に圧縮荷重を付与する。
制御装置６６は、プロセッサ及び記憶部６８を有する。記憶部６８は、揮発性メモリと、不揮発性メモリとを含み得る。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用され、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶部６８の少なくとも一部がプロセッサ等に備えられていてもよい。
本実施形態では、シール条件と、発電セル１４の積層数と、圧縮荷重との相関を示すテーブルが記憶部６８に記憶される。シール条件は、シール部材５８の材料の種類（弾性係数）及びシール部材５８の厚さＳＴを含む。圧縮荷重は、圧縮工程Ｐ６において付与するための圧縮荷重であり、所定の設定条件に基づいて、予め設定される。設定条件として、シール部材５８が弾性限界を超えないことが含まれる。さらに、設定条件として、膜電極構造体３０の厚さＭＴの平均が圧縮により所定の範囲内に収まることが含まれる。
制御装置６６には、入力装置７０が接続される。入力装置７０は、シール条件、発電セル１４の積層数等の入力値を入力するための装置である。入力装置７０として、キーボード、タッチパネル等が挙げられる。制御装置６６は、記憶部６８に記憶されるテーブルから、入力装置７０から入力された入力値と同一又は最も近似するシール条件及び発電セル１４の積層数を検出する。この場合、制御装置６６は、検出されたシール条件及び発電セル１４の積層数に相関を示す圧縮荷重を、第１プレス片６２と第２プレス片６４との間に積層される複数の発電セル１４に付与する。
したがって、圧縮工程Ｐ６では、樹脂枠付きＭＥＡ２６の膜電極構造体３０が塑性変形され、かつ、シール部材５８が弾性限界を超えないように、圧縮荷重が付与される。これにより、各発電セル１４の膜電極構造体３０の厚さＭＴの平均が所定の範囲内に収まるように変化する。その結果、膜電極構造体３０の大部分の厚さＭＴのばらつきが大きくなることを抑制することができる。
本発明は上述した実施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、種々の改変が可能である。
例えば、セパレータ２８は、第１セパレータプレート４６及び第２セパレータプレート４８を接合して構成されるものに限定されず、１枚の金属プレート（バイポーラプレート）から構成されてもよい。
上記実施形態から把握し得る発明及び効果について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には上記実施形態で用いた符号を付けているが、当該構成要素はその符号を付けたものに限定されない。
（１）本発明は、燃料電池スタック（１０）の製造方法であって、膜電極構造体（３０）と、前記膜電極構造体を挟持する一対のセパレータプレート（４６、４８）と、シール部材（５８）とを含む発電セル（１４）を複数積層する積層工程（Ｐ５）と、前記積層工程で積層された複数の前記発電セルに圧縮荷重を付与する圧縮工程（Ｐ６）と、を含み、前記セパレータプレートは、前記膜電極構造体と対向し、流体を前記セパレータプレートの面方向に流通させる流体流路部（５０、５４）と、前記流体流路部の外周を囲い、前記膜電極構造体よりも外側で、前記セパレータプレートの厚さ方向に突出したビード部（５２ａ、５２ｂ）と、を有し、前記シール部材は、一対の前記セパレータプレートの各々の前記ビード部の間に設けられ、前記シール部材の弾性限界は、前記膜電極構造体の弾性限界よりも大きく、前記圧縮工程は、前記膜電極構造体が塑性変形され、かつ、前記シール部材が弾性限界を超えないように、前記圧縮荷重を付与する。
これにより、各発電セルの膜電極構造体の厚さに生じるばらつきが大きくなることを抑制することができる。その結果、発電効率が低下することを抑制することができ、延いてはエネルギーの効率化に寄与する。
（２）本発明は、燃料電池スタックの製造方法であって、前記積層工程の前工程として、前記ビード部の頂部に前記シール部材を取り付けるシール取付工程（Ｐ３）をさらに有し、前記シール取付工程は、前記シール部材の厚さ（ＳＴ）と各前記ビード部の高さ（ＢＨ１、ＢＨ２）とを合わせた第１合計長（ＴＬ１）が、前記膜電極構造体の厚さ（ＭＴ）と前記流体流路部の高さ（ＣＨ）とを合わせた第２合計長（ＴＬ２）以下となるように、前記シール部材の厚さが選定されてもよい。
これにより、各発電セルの膜電極構造体の厚さを、圧縮により許容範囲内へ変化させることができる。その結果、各発電セルの膜電極構造体の厚さに生じるばらつきを低減することができる。
１０…燃料電池スタック １２…発電セル積層体
２８…セパレータ ３０…膜電極構造体
４６…セパレータプレート（第１セパレータプレート）
４８…セパレータプレート（第２パレータプレート）
５０…流体流路部（酸化剤ガス流路部）
５２ａ、５２ｂ…ビード部
５４…流体流路部（燃料ガス流路部）
５８、５８ａ、５８ｂ…シール部材
６０…治具 ６２…第１プレス片
６４…第２プレス片 ６６…制御装置
２８…セパレータ ３０…膜電極構造体
４６…セパレータプレート（第１セパレータプレート）
４８…セパレータプレート（第２パレータプレート）
５０…流体流路部（酸化剤ガス流路部）
５２ａ、５２ｂ…ビード部
５４…流体流路部（燃料ガス流路部）
５８、５８ａ、５８ｂ…シール部材
６０…治具 ６２…第１プレス片
６４…第２プレス片 ６６…制御装置
Claims (2)
- 燃料電池スタックの製造方法であって、
膜電極構造体と、前記膜電極構造体を挟持する一対のセパレータプレートと、シール部材とを含む発電セルを複数積層する積層工程と、
前記積層工程で積層された複数の前記発電セルに圧縮荷重を付与する圧縮工程と、
を含み、
前記セパレータプレートは、
前記膜電極構造体と対向し、流体を前記セパレータプレートの面方向に流通させる流体流路部と、
前記流体流路部の外周を囲い、前記膜電極構造体よりも外側で、前記セパレータプレートの厚さ方向に突出したビード部と、
を有し、
前記シール部材は、一対の前記セパレータプレートの各々の前記ビード部の間に設けられ、
前記シール部材の弾性限界は、前記膜電極構造体の弾性限界よりも大きく、
前記圧縮工程は、前記膜電極構造体が塑性変形され、かつ、前記シール部材が弾性限界を超えないように、前記圧縮荷重を付与する、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項１の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記積層工程の前工程として、前記ビード部の頂部に前記シール部材を取り付けるシール取付工程をさらに有し、
前記シール取付工程は、
前記シール部材の厚さと各前記ビード部の高さとを合わせた第１合計長が、前記膜電極構造体の厚さと前記流体流路部の高さとを合わせた第２合計長以下となるように、前記シール部材の厚さが選定される、燃料電池スタックの製造方法。
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