JP2005190946A - 燃料電池の製造方法と製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 セパレータ同士、MEAとセパレータの互いの位置決めと搬送を短時間で行うことができる燃料電池の製造方法とその方法に直接用いる装置の提供。
【解決手段】 帯状シート素材50を、つながった状態で成形工程101、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107に流し、バッチ化工程109で個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法からなり、成形工程では、帯状シート素材50にセパレータを順次成形して順次成形されるセパレータがランナー60でつながったセパレータ帯50Aを作製し、MEA組み付けおよびモジュール化工程では、一連のセパレータがランナーでつながった前記セパレータ帯にMEAを順次組み付けて、一連のモジュールがランナーでつながったモジュール帯50Bを作製し、バッチ化工程では、モジュール帯からランナーを切断し除去して個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法と装置。
【選択図】 図1

Description

本発明は燃料電池の製造方法と、該方法の実施に直接使用する燃料電池の製造装置に関する。
単位燃料電池(単セル)は、膜−電極アッセンブリ(MEA)をセパレータで挟んだものから構成される。単位燃料電池を少なくとも1つ重ねて接合したものからモジュールを構成し、モジュールを複数積層して(積層方向は任意)積層型燃料電池が構成される。
特開2001−236971号公報は、モジュールの連続生産方法を開示している。しかし、「連続」とあるが、公知の生産方法を列挙したものに過ぎず、したがって本質的にはバッチ処理であり、本発明のように帯状シート素材をつながったまま搬送してセパレータ、モジュールを生産するものではない。
しかし、従来の燃料電池モジュールの生産方法には、以下の問題がある。
1)スペース低減や高価な電極面積の有効利用等のために、一般に2枚のセパレータ及びMEAの組み付けには互いに精密な位置決めが必要である。また、セパレータは極薄板形状で自由状態では反りが大のため、従来のバッチ状態での自動組み付けでは、製品を傷めずに「反り矯正」、「位置決め」するのに、比較的長時間がかかり、高速化のネックとなっている。
2)上記1)の精密位置決め、反り矯正する固定治具を用いた停止状態での組み付けとすると、搬送時間が高速化のネックとなる。治具及び組み付け装置全体を可動化し、搬送しながら組み付け後高速で戻す方法や複数の装置を循環させる方法等停止させない組み付けも考えられるが、コスト、スペースが大となるという別の問題を生じる。
3)セパレータ、MEAが薄板形状でガイドが無いため、とくにMEAは曲げ剛性が小さい部品のためガイドも不可能であるため、組み付け時、部品同士が充分に接触するまで部品を装置で保持する必要があり、組み付け中比較的長時間、組み付けツールは治具(製品)上に位置するため、2)と同様搬送停止状態での組み付けとなりやすく、比較的長時間の搬送時間が高速化のネックとなる。
特開2001−236971号公報。
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池モジュールの製造方法では、セパレータ同士、MEAとセパレータの互いの位置決めと搬送に長時間を要するという問題である。
本発明の目的は、セパレータ同士、MEAとセパレータの互いの位置決めと搬送を短時間で行うことができる燃料電池の製造方法とその方法に直接用いる装置を提供することにある。
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 帯状シート素材を、つながった状態で成形工程、MEA組み付けおよびモジュール化工程に流し、バッチ化工程で個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法からなり、
前記成形工程では、帯状シート素材にセパレータを順次成形して順次成形されるセパレータがセパレータ以外の素材部分であるランナーによってつながっているセパレータ帯を作製し、
前記MEA組み付けおよびモジュール化工程では、一連のセパレータがランナーでつながった前記セパレータ帯にMEAを順次組み付けて、一連のモジュールが前記ランナーでつながったモジュール帯を作製し、
前記バッチ化工程では、前記モジュール帯から前記ランナーを切断し除去して個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法。
(2) 前記成形工程では、前記帯状シート素材の幅方向両縁にランナーを残して、前記帯状シート素材にセパレータを形成し、前記成形工程から下流側では前記幅方向両縁のランナーをローラで押さえることにより帯状シート素材の反りを矯正しながら前記帯状シート素材を搬送するようにした(1)記載の燃料電池の製造方法。
(3) 前記成形工程では、前記帯状シート素材の幅方向両縁にセパレータ以外の部分であるランナーを残してセパレータを形成するとともに、該幅方向両縁のランナーにセパレータとの位置関係を精度よく出した搬送・位置決め用の穴を加工し、前記成形工程の下流側では前記幅方向両縁のランナーの搬送・位置決め用の穴を利用して前記帯状シート素材を搬送することによりセパレータ位置を把握可能とした(1)記載の燃料電池の製造方法。
(4) MEAの前記セパレータ帯への組み付け前に前記MEAの電解質膜の外縁部に絶縁材よりなる額縁状のフレームを設けておき、前記MEA組み付けおよびモジュール化工程では、該フレームを前記MEAの前記セパレータ帯への組み付けの位置決めに利用する(1)記載の燃料電池の製造方法。
(5) 前記成形工程で、前記帯状シート素材に該帯状シート素材から組み付けガイドを形成しておき、前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記組み付けガイドにより前記額縁状のフレームの外側縁をガイドすることにより前記帯状シート素材のセパレータ部位に自動的に位置決めして前記フレーム付きのMEAを組み付ける(4)記載の燃料電池の製造方法。
(6) 前記成形工程で、前記帯状シート素材に隣り合うセパレータ間にセパレータ以外の部分であるランナーを設け、該セパレータ間のランナーにセパレータピッチを調整するためのピッチ調整部を設ける(1)記載の燃料電池の製造方法。
(7) 前記帯状シート素材のセパレータ間のランナーに曲げ剛性が他の部分より低い曲げ案内部を設けて該曲げ案内部を前記ピッチ調整部として利用する(6)記載の燃料電池の製造方法。
(8) 前記曲げ案内部が+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるように、十分薄く、または一部スリットとされている(7)記載の燃料電池の製造方法。
(9) 前記成形工程で、前記帯状シート素材に隣り合うセパレータ間および前記帯状シート素材の幅方向両縁部にセパレータ以外の部分であるランナーを設けるとともに、該ランナーに各セパレータの周囲にわたって延びるリブを形成する(1)記載の燃料電池の製造方法。
(10) 前記成形工程では、全ての成形が成形型により一度の塑性加工で行われる(1)記載の燃料電池の製造方法。
(11) 前記成形工程で、前記帯状シート素材にセパレータ以外の部分であるランナーを設け、該ランナーに集中させて、位置決め用穴やピッチ調整用兼曲げ案内部や反り抑制のリブの少なくとも一つを設け、前記バッチ化工程で前記ランナーをモジュールから除去するようにした(1)記載の燃料電池の製造方法。
(12) 一対の前記帯状シート素材を前記成形工程に供給し、
前記成形工程で、前記一対の帯状シート素材の一方に組み付けガイドを形成するとともに他方に穴または切り欠きからなる組み付けガイド逃がし手段を形成し、かつ、一対の前記帯状シート素材の幅方向両縁のランナーに搬送・位置決め用の穴を加工し、
前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記一対の帯状シート素材の前記組み付けガイドを前記組み付けガイド逃がし手段に受入れて干渉しないようにするとともに、前記一対の帯状シート素材のランナーの搬送・位置決め用の穴を共用して対向組み付けすることにより、前記一対の帯状シート素材を搬送停止させることなく連続的にモジュール化可能とした(1)記載の燃料電池の製造方法。
(13) 1枚の帯状シート素材を前記成形工程に供給し、
前記成形工程で、前記1枚の帯状シート素材にアノード側セパレータとカソード側セパレータを交互に成形し、
前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記セパレータ帯に前記MEAを順次組み付けるとともに、前記セパレータ帯を蛇腹状に折りたたむことにより、前記ランナーでつながりモジュールが積層されたモジュール帯を作製する(1)記載の燃料電池の製造方法。
(14) 前記モジュール帯をランナー部で折り曲げ、モジュール間のランナーを全モジュール分まとめて、前記バッチ化工程で切断、除去するようにした(13)記載の燃料電池の製造方法。
(15) 帯状シート素材の搬送ラインに順に配置された、成形ステーション、MEA組み付けおよびモジュール化ステーション、バッチ化ステーションを備えた燃料電池の製造装置からなり、
前記成形ステーションは、帯状シート素材にセパレータ以外の素材部分であるランナーを残してセパレータを順次成形する成形型を備え、
前記MEA組み付けおよびモジュール化ステーションは、一連のセパレータがランナーでつながったセパレータ帯にMEAを順次組み付けるMEA組み付け機を備え、
前記バッチ化ステーションは、セパレータ帯にMEAを順次組み付けたモジュール帯からランナーを切断し除去する切断機を備えている、
燃料電池の製造装置。
上記(1)の燃料電池の製造方法によれば、帯状シート素材にランナーを残したまま一連のセパレータをランナーによってつなげて成形した状態(セパレータ帯の状態)で流し、全部品組み付け完了後ランナーを切断除去してバッチ化したため、搬送中の各セパレータの位置関係が定まり、部品組み付け時に個々のセパレータの位置関係が定まるため、部品組み付け時に搬送を一時停止してセパレータの位置決めをする必要がなくなり、燃料電池モジュールの生産が高速化される。
上記(2)の燃料電池の製造方法によれば、幅方向両縁のランナーをローラで押さえるようにしたたので、連続搬送中にセパレータ部分を傷つけることなく、帯状シート素材を搬送しながら、帯状シート素材の反りを矯正することができる。
上記(3)の燃料電池の製造方法によれば、幅方向両縁のランナーにセパレータとの位置関係を精度よく出した搬送・位置決め用の穴を加工し、前記成形工程の下流側では幅方向両縁のランナーの搬送・位置決め用の穴を利用して帯状シート素材を搬送することにより、セパレータのマニホールド穴を直接搬送に利用するよりも傷つき防止や多種のセパレータへの対応を可能とすることができる。
上記(4)の燃料電池の製造方法によれば、MEAの電解質膜の外縁部に絶縁材よりなる額縁状のフレームを設けておくので、このフレームをMEAのセパレータ帯への組み付けの位置決めに利用することができる。
上記(5)の燃料電池の製造方法によれば、帯状シート素材に該帯状シート素材から切り起こされた組み付けガイドを形成しておくので、MEA組み付けおよびモジュール化工程で、組み付けガイドにより額縁状のフレームの外側縁をガイドすることにより帯状シート素材のセパレータ部位に自動的に位置決めすることができるとともに、フレームが組み付けガイド内に収まった後は、セル平面内でズレるおそれが無くなる。その結果、MEA組み付け時に搬送停止不要である。
上記(6)の燃料電池の製造方法によれば、帯状シート素材に隣り合うセパレータ間にランナーを設け、該セパレータ間のランナーにセパレータピッチを調整するためのピッチ調整部を設けるので、セパレータピッチに若干のバラツキがあっても、各セパレータの位置決めとモジュール化が可能である。
上記(7)の燃料電池の製造方法によれば、帯状シート素材のセパレータ間のランナーに曲げ剛性が他の部分より低い曲げ案内部を設けるので、この曲げ案内部をピッチ調整部として利用することができる。
上記(8)の燃料電池の製造方法によれば、曲げ案内部が+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるように形成されているので、モジュール帯を容易に蛇腹状に折りたたむことができる。
上記(9)の燃料電池の製造方法によれば、成形工程で、帯状シート素材のランナーに各セパレータの周囲にわたって延びるリブを形成するので、モジュール化や折りたたみの際にセパレータにかかる曲げからセパレータ(とくに曲げ剛性の低いマニホールド部)を保護し、反りを低減することができる。
上記(10)の燃料電池の製造方法によれば、成形工程で、全ての成形が成形型により一度の塑性加工で行われるので、組み付けガイドや組み付けガイド逃がし手段やリブを形成しても、燃料電池モジュールの生産時間を長くすることはない。
上記(11)の燃料電池の製造方法によれば、成形工程で、ランナーに集中させて、位置決めや曲げ案内部や反り抑制のリブを設け、バッチ化工程でランナーをモジュールから除去するようにしたので、セパレータ形状が位置決めや曲げ案内部や反り抑制のリブによって制約されない。また、本発明の方法を用いても、従来のセパレータの形状をとくに変更する必要がない。
上記(12)の燃料電池の製造方法によれば、一対の帯状シート素材の一方に組み付けガイドを形成するとともに他方に穴または切り欠きからなる組み付けガイド逃がし手段を形成したので、一対の帯状シート素材をランナーの搬送・位置決め用の穴を利用して対向組み付けする際に、組み付けガイドを組み付けガイド逃がし手段内に逃がすことができ、一対の帯状シート素材を搬送停止することなく、連続的にモジュール化が可能となる。
上記(13)の燃料電池の製造方法によれば、成形工程で、1枚の帯状シート素材にアノード側セパレータとカソード側セパレータを交互に成形し、MEA組み付けおよびモジュール化工程で、セパレータ帯にMEAを順次組み付けるとともに、セパレータ帯を蛇腹状に折りたたむことにより、前記ランナーでつながりモジュールが積層されたモジュール帯を作製するので、連続的にモジュールを作製でき、かつ折りたたむことができる。
上記(14)の燃料電池の製造方法によれば、モジュール間のランナーを全モジュール分まとめて、前記バッチ化工程で切断、除去するようにしたので、ランナーを能率よく除去することができる。
上記(15)の燃料電池の製造装置によれば、帯状シート素材の搬送ラインに順に配置された、成形ステーション、MEA組み付けおよびモジュール化ステーション、バッチ化ステーションを備え、ステーション間で帯状シート素材をセパレータがつながったままで搬送するようにしたので、搬送中の各セパレータの位置関係が定まり、部品組み付け時に個々のセパレータそれぞれの位置決めを不要とすることができるとともに、部品組み付け時の一時停止も不要とすることができ、燃料電池モジュールの生産が高速化される。
以下に、本発明の燃料電池の製造方法および該方法を直接実施する燃料電池の製造装置を、図1〜図10を参照して説明する。
図中、図1〜図6は本発明の実施例1の燃料電池の製造方法および製造装置を示し、図7は本発明の実施例2の燃料電池の製造方法および製造装置を示し、図8は本発明の実施例3の燃料電池の製造方法および製造装置を示す。図9、図10は本発明の何れの実施例にも適用可能な、一般の燃料電池の構造を示す。
本発明の実施例1〜実施例3にわたって共通する、または類似する部分には、本発明の実施例1〜実施例3にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例〜実施例3にわたって共通する、または類似する部分を、たとえば図1〜図6、図9、図10を参照して、説明する。
本発明の製造方法、製造装置によって製造される燃料電池は、積層型燃料電池であり、たとえば、積層型の固体高分子電解質型燃料電池10である。該燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池10は、図9、図10に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。
セパレータ18には、アノード14、カソード17に燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための反応ガス流路27、28(燃料ガス流路27、酸化ガス流路28)と、その裏面に冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26が形成されている。また、セパレータ18には、燃料ガス流路27に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド30、酸化ガス流路28に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド31、冷媒流路26に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド29が形成されている。
膜−電極アッセンブリとセパレータ18を重ねて単位燃料電池(「単セル」ともいう)19を構成し、少なくとも1つのセルからモジュール(図10は1モジュールが1セルから構成される場合を示しており、セル19とモジュールが等しいので、モジュールにも符号19を付す)を構成し、モジュール19を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)、ボルト・ナット25により固定して、燃料電池スタック23を構成する。
各セル19の、アノード側14では、水素を水素イオン(プロトン)と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜11中をカソード側に移動し、カソード17側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2
セパレータ18は、屈曲可能な導電性のセパレータからなり、たとえばメタルセパレータや、カーボンを混合した屈曲可能な樹脂製のシートなどからなる。セパレータ18は、硬質の樹脂フレームと組み合わて使用されてもよい。
流体流路26、27、28、29、30、31をシールするために、ガス側のシール材33および冷媒側のシール32が設けられる。図示例では、ガス側シール材33が接着剤からなり、冷媒側シール材32がゴムガスケットからなる場合を示してあるが、ガス側シール材33も冷媒側シール材32も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。
本発明の燃料電池の製造装置は、燃料電池モジュール19の連続製造装置である。
本発明の燃料電池の製造装置は、帯状シート素材50(セパレータ18の素材)の搬送ラインに帯状シート素材50の搬送方向に順に配置された、成形ステーション51、MEA組み付けおよびモジュール化ステーション55、57、バッチ化ステーション59を備えた燃料電池の製造装置からなる。
さらに詳しくは、本発明の燃料電池の製造装置は、帯状シート素材50の搬送ラインに帯状シート素材50の搬送方向に順に配置された、成形ステーション51、帯状シート素材50の表面処理ステーション52、ガスケット32の帯状シート素材50への接合ステーション53、接着剤33の帯状シート素材50への塗布ステーション54、MEAを帯状シート素材50の所定部位に順次組み付けるMEA組み付けステーション55、MEAが組み付けられた帯状シート素材50に接着剤33を塗布する接着剤塗布ステーション56、モジュール化ステーション57、接着剤加熱硬化ステーション58、つながったモジュールをランナー60を除去して個別のモジュール19にするバッチ化ステーション59からなる。
成形ステーション51は、帯状シート素材50にセパレータ18以外の素材部分であるランナー60を残してセパレータを順次成形する成形型81を備えている。すなわち、帯状シート素材50には、成形型81によって、セパレータ18に対応する部分と、このセパレータ18部分に隣接するランナー60に対応する部分が成形される。
MEA組み付けステーション55は、一連のセパレータ18がランナー60でつながったセパレータ帯50A(セパレータ等を加工した後の帯状シート素材50)にMEAを順次組み付けるMEA組み付け機82を備えている。
バッチ化ステーション59は、セパレータ帯50AにMEAを順次組み付けたモジュール帯50B(MEAを組み付けた後のモジュール19がつながって帯状シート素材50)からランナー60を切断し除去する切断機83を備えている。
本発明の燃料電池の製造方法は、帯状シート素材50を、つながった状態で成形工程101、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107に流し、バッチ化工程109で個別のモジュール19に分離するようにした燃料電池の製造方法からなる。
本発明の燃料電池の製造方法は、帯状シート素材50(セパレータ帯50A、モジュール帯50Bとなっている場合を含む)の搬送中に時間的に順に実行される、帯状シート素材50のセパレータ18等の成形工程101、帯状シート素材50の表面処理工程102、ガスケット32の帯状シート素材50への接合工程103、接着剤33の帯状シート素材50への塗布工程104、MEAを帯状シート素材50の所定部位に順次組み付けるMEA組み付け工程105、MEAが組み付けられた帯状シート素材50に接着剤33を塗布する接着剤塗布工程106、モジュール化工程107、接着剤加熱硬化工程108、つながったモジュールをランナー60を除去して個別のモジュール19にするバッチ化工程109を有する。
成形工程101では、帯状シート素材51にセパレータ18を順次成形して順次成形されるセパレータ18がセパレータ以外の素材部分であるランナー60によってつながっているセパレータ帯50Aを作製する。
MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107では、一連のセパレータ18がランナー60でつながったセパレータ帯50AにMEAを順次組み付けて、一連のモジュール19がランナー60でつながったモジュール帯50Bを作製する。
バッチ化工程109では、モジュール帯60Bからランナー60を切断し除去して個別のモジュール19に分離する。
成形工程101では、帯状シート素材50の幅方向両縁にランナー60を残して、帯状シート素材50にセパレータ18を形成し、成形工程51から下流側では、幅方向両縁のランナー60をローラ80で押さえることにより帯状シート素材50の反りを矯正しながら帯状シート素材50を搬送する。
成形工程101では、帯状シート素材50の幅方向両縁にセパレータ以外の部分であるランナー60を残してセパレータ18を形成するとともに、該幅方向両縁のランナー60にセパレータ18との位置関係を精度よく出した搬送・位置決め用の穴61を加工し、成形工程の下流側では幅方向両縁のランナー60の搬送・位置決め用の穴61を利用して帯状シート素材50を搬送することによりセパレータ位置を把握可能とする。
MEAのセパレータ帯50Aへの組み付け前にMEAの電解質膜の外縁部に絶縁材よりなる額縁状のフレーム62を設けておき、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107では、フレーム62をMEAのセパレータ帯50Aへの組み付けの位置決めに利用する。
成形工程101で、帯状シート素材50に該帯状シート素材50から組み付けガイド63を形成しておき、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107で、組み付けガイド63により額縁状のフレーム62の外側縁をガイドすることにより帯状シート素材50のセパレータ部位に自動的に位置決めしてフレーム62付きのMEAを組み付けるようにする。組み付けガイド63は、帯状シート素材50から切り起こして作製してもよいし、あるいはポンチ等により絞りピンを成形して作製してもよい。
成形工程101で、帯状シート素材50に隣り合うセパレータ18間にセパレータ以外の部分であるランナー60を設け、該セパレータ間のランナー60にセパレータピッチを調整するためのピッチ調整部64を設ける。たとえば、図6で符号64を付した部分がピッチ調整部である。図1の帯状シート素材50の弛んでいる部分は帯状シート素材50の弛み部65であって、ピッチ調整部ではない。
帯状シート素材50のセパレータ18間のランナー60に曲げ剛性が他の部分より低い曲げ案内部を設けて該曲げ案内部をピッチ調整部64として利用する。
曲げ案内部は+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるように、十分薄く、または一部スリットとされている。たとえば、図6のピッチ調整部64は折れ曲がりと反対方向に突出する湾曲部からなる場合を示すが、このような湾曲部からなる場合は折れ曲がりと反対方向に折れ曲がるのが容易ではないため、これに代わる構造として、ピッチ調整部64を局部的に薄くするとか、ミシン線状の切れ目をいれておく等の構造をとることにより、+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるようにしてもよい。
成形工程101で、帯状シート素材50に、隣り合うセパレータ18間および帯状シート素材の幅方向両縁部に、セパレータ以外の部分であるランナー60を設けるとともに、該ランナー60に各セパレータ18の周囲に全周にわたって延びる、剛性アップ用のリブ66を形成してもよい。
成形工程101では、セパレータ18の流路溝、マニホールド穴、位置決め用穴61、組み付けガイド63、ピッチ調整部64、リブ66などの全ての加工部の成形が成形型81により一度の塑性加工で行われることが望ましい。ただし、数段の成形型で、分けて成形してもよい。たとえば、流路溝やマニホールド穴の成形と、位置決め用穴61、組み付けガイド63の成形と、ピッチ調整部64、リブ66の成形を別々の成形型で分けて成形してもよい。
また、成形工程101で、帯状シート素材50にセパレータ以外の部分であるランナー60を設け、該ランナー60に集中させて、位置決め用穴61やピッチ調整用の曲げ案内部64や反り抑制のリブ66の少なくとも一つを設け、バッチ化工程109でランナー60をモジュール帯60Bから除去するようにすることが望ましい。
本発明の燃料電池の製造方法、製造装置の各実施例に共通する部分の作用、効果は、つぎの通りである。
本発明の燃料電池の製造方法、製造装置では、帯状シート素材50にランナー60を残したまま一連のセパレータ18をランナー60によってつなげて成形した状態(セパレータ帯50Aの状態)で流し、全部品組み付け完了後ランナー60を切断除去してバッチ化(個別のモジュール化)したため、搬送中の各セパレータ18の位置関係が定まり、MEAなどの部品組み付け時の、個々のセパレータの位置関係が定まる。その結果、部品組み付け時に搬送を一時停止してセパレータ18の位置決めをする必要がなくなり、位置決め時間と搬送時間が短縮され、燃料電池モジュールの生産が高速化される。
本発明の燃料電池の製造方法では、幅方向両縁のランナー60をローラ80で押さえるようにしたたので、連続搬送中にセパレータ部分を傷つけることなく、帯状シート素材50を搬送しながら、帯状シート素材50の反りを矯正することができる。反りの矯正によって、各セパレータ18の位置決めの精度があがる。
また、帯状シート素材50の幅方向両縁のランナー60に、セパレータ18との位置関係を精度よく出した搬送・位置決め用の穴61を加工し、成形工程101の下流側では幅方向両縁のランナーの搬送・位置決め用の穴61を利用して帯状シート素材50を搬送することにより、セパレータ18のマニホールド穴を直接搬送に利用するよりも傷つき防止や多種のセパレータへの対応を可能とすることができる。ここで、「多種のセパレータへの対応を可能にする」とは、セパレータの種類が変わると、マニホールド穴の形状、位置が変わるが、搬送・位置決め用の穴61はマニホールド穴と無関係に加工できるので、セパレータの種類が変わっても対応できるという意味である。
また、MEAの電解質膜の外縁部に絶縁材よりなる額縁状のフレーム62(たとえば、樹脂フレーム)を設けておく場合は、このフレーム62をMEAのセパレータ帯50Aへの組み付けの位置決めに利用することができる。
帯状シート素材50に該帯状シート素材50から切り起こされた組み付けガイド63を形成しておく場合は、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107で、組み付けガイド63により額縁状のフレーム62の外側縁をガイドすることにより、フレーム62付きMEAを、帯状シート素材50のセパレータ部位に自動的に位置決めすることができるとともに、フレーム62が組み付けガイド63内に収まった後は、セル平面内でズレるおそれが無くなる。その結果、高精度組み付けが可能であり、MEA組み付け時に位置決めするための帯状シート素材50の搬送停止が不要であり、燃料電池モジュールの生産の高速化に寄与できる。
また、帯状シート素材50に隣り合うセパレータ間にランナー60を設け、該セパレータ間のランナー60にセパレータピッチを調整するためのピッチ調整部64を設けると、セパレータピッチに若干のバラツキがあっても、各セパレータの互いに独立した位置決めと高精度のモジュール化が可能である。
帯状シート素材50のセパレータ18間のランナー60に曲げ剛性が他の部分より低い曲げ案内部を設ける場合、この曲げ案内部(図6のような曲げ案内部)をピッチ調整部64として利用することができる。
曲げ案内部が+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるように形成されている場合は、モジュール帯50Bを容易に蛇腹状に折りたたむことができる。
また、成形工程101で、帯状シート素材50のランナー60に各セパレータの周囲にわたって延びるリブ66を形成した場合には、モジュール化や折りたたみの際にセパレータ18にかかる曲げからセパレータ18(とくに曲げ剛性の低いマニホールド部)を保護し、反りを低減することができる。
また、成形工程101で、全ての成形を成形型81により一度の塑性加工で行うことにより、組み付けガイド63や組み付けガイド逃がし手段やリブ66をセパレータ18の流路溝を形成する工程で形成でき、燃料電池モジュールの生産時間を長くすることはない。
また、位置決め穴61や曲げ案内部や反り抑制のリブ66をランナー60に集中させて成形し、バッチ化工程109でランナー60をモジュールから除去するので、セパレータの流路溝形状が位置決め穴61や曲げ案内部や反り抑制のリブ66によって制約されない。
つぎに、本発明の燃料電池の製造方法の各実施例に特有な技術事項を説明する。
〔実施例1〕
本発明の実施例1の燃料電池の製造方法では、図1〜図6に示すように、素材のロールから、一対の帯状シート素材60を成形工程101に供給する。
成形工程101では、一対の帯状シート素材50の一方に組み付けガイド63を形成するとともに、他方に穴または切り欠きからなる組み付けガイド逃がし手段67を形成する。、成形工程101では、一対の帯状シート素材50の幅方向両縁のランナー60に搬送・位置決め用の穴61も加工する。
また、MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107では、一対の帯状シート素材50の組み付けガイド63を組み付けガイド逃がし手段67に受入れさせる。これによって、組み付けガイド63が他方の帯状シート素材50に干渉しないようにすることができる。
また、一対の帯状シート素材50のランナー60の搬送・位置決め用の穴61を共用して(たとえば、ローラ80に突起状の歯を複数設けて一対の帯状シート素材50の、該歯を一対の帯状シート素材50の搬送・位置決め用の穴61に挿通して)一対の帯状シート素材50を対向組み付けする。これによって、一対の帯状シート素材50を搬送停止させることなく連続的にモジュール化することができる。
〔実施例2〕
本発明の実施例2の燃料電池の製造方法では、図7に示すように、素材のロールから、1枚の帯状シート素材50を成形工程101に供給する。
成形工程101で、1枚の帯状シート素材50にアノード側セパレータ18とカソード側セパレータ18を交互に成形する。
MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107において、MEA組み付け工程105でセパレータ帯50AにMEAを順次組み付け、モジュール化工程107でセパレータ帯50Aを蛇腹状に折りたたんでランナー60でつながりモジュール19が積層されたモジュール帯50Bを作製する。
これによって、連続的にモジュール帯50Bを作製でき、かつ折りたたんでモジュール19を積層することができる。
ついで、ランナー部で折り曲げられているモジュール帯50Bを、バッチ化工程109で、モジュール間のランナー60を全モジュール分まとめて、切断、除去する。
これによって、ランナー60を能率よく除去することができ、モジュール19を効率よく製造することができる。
〔実施例3〕
本発明の実施例3の燃料電池の製造方法は、本発明の実施例3の燃料電池の製造方法と本質的には同じであるが、モジュール帯50Bが横方向に積層され、ランナー60の切断が横方向に行われる点が実施例2と異なる。
本発明の実施例3の燃料電池の製造方法では、図8に示すように、素材のロールから、1枚の帯状シート素材50を成形工程101に供給する。
成形工程101で、1枚の帯状シート素材50にアノード側セパレータ18とカソード側セパレータ18を交互に成形する。成形は、流路溝の形状出しと、マニホールド穴の打ち抜きとを別々のプレス型81を用いて行う場合を示してある。
表面処理工程102では、洗浄およびCr、Auメッキを施し、ついで、カーボン塗装、乾燥する。
ガスケット接合工程103では、ゴムガスケット32(ビード)を熱圧着する。
接着剤塗布工程104で、シール部に接着剤33を塗布する。
MEA組み付けおよびモジュール化工程105、107において、帯状シート素材50を蛇腹状に曲げプレス加工し、MEA組み付け機82でMEAを組み付けていく。ついで、蛇腹を圧縮し接着剤33部で蛇腹を熱圧着して、モジュール化する。
ついで、蛇腹状のモジュール50Bを横置きして、切断機83により上下のランナー60を切断し、積層された個々のモジュール19にする(バッチ化)。
本発明の実施例2と同じ作用、効果が得られる。
(A)は本発明の実施例1の燃料電池の製造方法を実施する装置の系統図で、(B)は工程のブロック図である。 セパレータ帯の斜視図である。 MEA組み付け工程からバッチ化工程までの、セパレータ帯の斜視図である。 図3のセパレータ帯の拡大図である。 曲げ案内・リブ付きセパレータ帯の斜視図である。 図5のセパレータ帯の一部の書く際図である。 (A)は本発明の実施例2の燃料電池の製造方法を実施する装置の系統図で、(B)は工程のブロック図である。 本発明の実施例3の燃料電池の製造方法を実施する装置の系統図である。 一般の燃料電池の側面図である。 一般の燃料電池の一部の拡大断面図である。
符号の説明
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
14 電極(アノード、燃料極)
17 電極(カソード、空気極)
18 セパレータ
19 セルまたはモジュール
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 スタック
24 外側部材または締結部材(テンションプレート)
25 ボルト
26 冷媒流路
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 冷媒側シール材(たとえば、ゴムガスケット)
33 ガス側シール材(たとえば、接着剤)
50 帯状シート素材
50A セパレータ帯
50B モジュール帯
51 成形ステーション
52 表面処理ステーション
53 ガスケット接合ステーション
54 接着剤塗布ステーション
55 MEA組み付けステーション
56 接着剤塗布ステーション
57 モジュール化ステーション
58 接着剤加熱硬化ステーション
59 バッチ化ステーション
60 ランナー
61 穴
62 フレーム
63 組み付けガイド
64 ピッチ調整部
65 弛み部
66 リブ
67 組み付けガイド逃がし手段
80 ローラ
81 成形型
82 MEA組み付け機
83 切断機
101 成形工程
102 表面処理工程
103 ガスケット接合工程
104 接着剤塗布工程
105 MEA組み付け工程
106 接着剤塗布工程
107 モジュール化工程
108 接着剤加熱硬化工程
109 モジュール化工程

Claims (15)

  1. 帯状シート素材を、つながった状態で成形工程、MEA組み付けおよびモジュール化工程に流し、バッチ化工程で個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法からなり、
    前記成形工程では、帯状シート素材にセパレータを順次成形して順次成形されるセパレータがセパレータ以外の素材部分であるランナーによってつながっているセパレータ帯を作製し、
    前記MEA組み付けおよびモジュール化工程では、一連のセパレータがランナーでつながった前記セパレータ帯にMEAを順次組み付けて、一連のモジュールが前記ランナーでつながったモジュール帯を作製し、
    前記バッチ化工程では、前記モジュール帯から前記ランナーを切断し除去して個別のモジュールに分離するようにした燃料電池の製造方法。
  2. 前記成形工程では、前記帯状シート素材の幅方向両縁にランナーを残して、前記帯状シート素材にセパレータを形成し、前記成形工程から下流側では前記幅方向両縁のランナーをローラで押さえることにより帯状シート素材の反りを矯正しながら前記帯状シート素材を搬送するようにした請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  3. 前記成形工程では、前記帯状シート素材の幅方向両縁にセパレータ以外の部分であるランナーを残してセパレータを形成するとともに、該幅方向両縁のランナーにセパレータとの位置関係を精度よく出した搬送・位置決め用の穴を加工し、前記成形工程の下流側では前記幅方向両縁のランナーの搬送・位置決め用の穴を利用して前記帯状シート素材を搬送することによりセパレータ位置を把握可能とした請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  4. MEAの前記セパレータ帯への組み付け前に前記MEAの電解質膜の外縁部に絶縁材よりなる額縁状のフレームを設けておき、前記MEA組み付けおよびモジュール化工程では、該フレームを前記MEAの前記セパレータ帯への組み付けの位置決めに利用する請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  5. 前記成形工程で、前記帯状シート素材に該帯状シート素材から組み付けガイドを形成しておき、前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記組み付けガイドにより前記額縁状のフレームの外側縁をガイドすることにより前記帯状シート素材のセパレータ部位に自動的に位置決めして前記フレーム付きのMEAを組み付ける請求項4記載の燃料電池の製造方法。
  6. 前記成形工程で、前記帯状シート素材に隣り合うセパレータ間にセパレータ以外の部分であるランナーを設け、該セパレータ間のランナーにセパレータピッチを調整するためのピッチ調整部を設ける請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  7. 前記帯状シート素材のセパレータ間のランナーに曲げ剛性が他の部分より低い曲げ案内部を設けて該曲げ案内部を前記ピッチ調整部として利用する請求項6記載の燃料電池の製造方法。
  8. 前記曲げ案内部が+180°〜−180°にわたって360°曲がることができるように、十分薄く、または一部スリットとされている請求項7記載の燃料電池の製造方法。
  9. 前記成形工程で、前記帯状シート素材に隣り合うセパレータ間および前記帯状シート素材の幅方向両縁部にセパレータ以外の部分であるランナーを設けるとともに、該ランナーに各セパレータの周囲にわたって延びるリブを形成する請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  10. 前記成形工程では、全ての成形が成形型により一度の塑性加工で行われる請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  11. 前記成形工程で、前記帯状シート素材にセパレータ以外の部分であるランナーを設け、該ランナーに集中させて、位置決め用穴やピッチ調整用兼曲げ案内部や反り抑制のリブの少なくとも一つを設け、前記バッチ化工程で前記ランナーをモジュールから除去するようにした請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  12. 一対の前記帯状シート素材を前記成形工程に供給し、
    前記成形工程で、前記一対の帯状シート素材の一方に組み付けガイドを形成するとともに他方に穴または切り欠きからなる組み付けガイド逃がし手段を形成し、かつ、一対の前記帯状シート素材の幅方向両縁のランナーに搬送・位置決め用の穴を加工し、
    前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記一対の帯状シート素材の前記組み付けガイドを前記組み付けガイド逃がし手段に受入れて干渉しないようにするとともに、前記一対の帯状シート素材のランナーの搬送・位置決め用の穴を共用して対向組み付けすることにより、前記一対の帯状シート素材を搬送停止させることなく連続的にモジュール化可能とした請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  13. 1枚の帯状シート素材を前記成形工程に供給し、
    前記成形工程で、前記1枚の帯状シート素材にアノード側セパレータとカソード側セパレータを交互に成形し、
    前記MEA組み付けおよびモジュール化工程で、前記セパレータ帯に前記MEAを順次組み付けるとともに、前記セパレータ帯を蛇腹状に折りたたむことにより、前記ランナーでつながりモジュールが積層されたモジュール帯を作製する請求項1記載の燃料電池の製造方法。
  14. 前記モジュール帯をランナー部で折り曲げ、モジュール間のランナーを全モジュール分まとめて、前記バッチ化工程で切断、除去するようにした請求項13記載の燃料電池の製造方法。
  15. 帯状シート素材の搬送ラインに順に配置された、成形ステーション、MEA組み付けおよびモジュール化ステーション、バッチ化ステーションを備えた燃料電池の製造装置からなり、
    前記成形ステーションは、帯状シート素材にセパレータ以外の素材部分であるランナーを残してセパレータを順次成形する成形型を備え、
    前記MEA組み付けおよびモジュール化ステーションは、一連のセパレータがランナーでつながったセパレータ帯にMEAを順次組み付けるMEA組み付け機を備え、
    前記バッチ化ステーションは、セパレータ帯にMEAを順次組み付けたモジュール帯からランナーを切断し除去する切断機を備えている、
    燃料電池の製造装置。
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