JP2005276481A - 燃料電池の製造方法、および燃料電池の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池構成要素の積層作業を迅速に行うことができ、燃料電池の生産性の向上に寄与し得る、燃料電池の製造方法、および燃料電池の製造装置を提供する。
【解決手段】 タイロッドボルト２３０（シャフト）を挿通するための貫通孔が形成された単セル１０（燃料電池構成要素２１０）を、タイロッドボルトに挿通しながら積層する、燃料電池の製造方法である。まず、単セルの貫通孔に摺動自在に貫通させた中間シャフト１３０（ピン）を、タイロッドボルトの両端部のそれぞれの側において、タイロッドボルトと同軸上に接続する。次いで、単セルを、タイロッドボルト側に向けて移動することによって、中間シャフト上からタイロッドボルト側に引き渡す。このように、単セルのタイロッドボルト側への引き渡し作業を、タイロッドボルトの両端部のそれぞれの側において行う。
【選択図】 図７

Description

本発明は、燃料電池の製造方法、および燃料電池の製造装置に関する。

周知のように、燃料電池スタックは、単セルを構成するための複数個の部品（以下、「単セル構成部品」ともいう）を多数積層して構成されている。単セル構成部品は、固体電解質膜と、流体を流通させるための流路溝が形成されるとともに固体電解質膜を挟持するための一対のセパレータと、を含んでいる。

燃料電池の製造方法として、シャフトを挿通するための貫通孔が形成された単セル構成部品を、シャフトに挿通しながら積層して燃料電池スタックとする製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載された技術では、中空パイプ状の中間アダプタをガイドとして、セパレータと固体電解質膜とを交互に積層し、単位ブロックを構成している。この単位ブロックを、中間アダプタをシャフトに挿通しながら積層し、燃料電池スタックを組み立てている。単位ブロックを構成する際には、中間アダプタの一端部の側からのみ単セル構成部品を組み付けている。また、燃料電池スタックを構成する際には、シャフトの一端部の側からのみ単位ブロックを組み付けている。

しかしながら、中間アダプタまたはシャフトの一端部の側からのみ燃料電池構成要素（単セル構成部品のそれぞれ、または単位ブロック）を積層しているため、積層作業に比較的長時間を要する結果、燃料電池の製造に比較的長時間を要するという問題がある。
特開２００１−５７２２６号公報

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、燃料電池構成要素の積層作業を迅速に行うことができ、燃料電池の製造に要する時間を短縮して、燃料電池の生産性の向上に寄与し得る、燃料電池の製造方法、および燃料電池の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に記載の本発明は、シャフトを挿通するための貫通孔が形成された燃料電池構成要素を、前記シャフトに挿通しながら積層する、燃料電池の製造方法において、
前記燃料電池構成要素の前記貫通孔に摺動自在に貫通させたピンを、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において、前記シャフトと同軸上に接続し、
前記燃料電池構成要素を、前記シャフト側に向けて移動することによって、前記ピン上から前記シャフト側に引き渡してなり、
前記燃料電池構成要素の前記シャフト側への引き渡し作業を、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において行うようにしたことを特徴とする燃料電池の製造方法である。

また、上記目的を達成するための請求項６に記載の本発明は、シャフトを挿通するための貫通孔が形成された燃料電池構成要素を、前記シャフトに挿通しながら積層する、燃料電池の製造装置において、
前記シャフトの両端部のそれぞれの側に設けられ、前記燃料電池構成要素の前記貫通孔に摺動自在に貫通させたピンを、前記シャフトと同軸上に接続する接続手段と、
前記シャフトの両端部のそれぞれの側に設けられ、前記燃料電池構成要素を、前記シャフト側に向けて移動することによって、前記ピン上から前記シャフト側に引き渡す引き渡し手段と、を含んでなり、
前記燃料電池構成要素の前記シャフト側への引き渡し作業を、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において行うようにしたことを特徴とする燃料電池の製造装置である。

本発明によれば、燃料電池構成要素のシャフト側への引き渡し作業を、シャフトの両端部のそれぞれの側において行うため、シャフトの一端部の側からのみ燃料電池構成要素を積層する場合に比較して、積層作業を迅速に行うことができる。したがって、燃料電池の製造に要する時間が短縮され、燃料電池の生産性が向上する。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る単セル１０を示す断面図である。

単セル１０を構成するための複数個の部品は、固体高分子電解質膜２１（固体電解質膜に相当する）と、流体を流通させるための流路溝４３〜４５が形成されるとともに固体高分子電解質膜２１を挟持するための一対のセパレータ４１、４２とを含んでいる。

固体高分子電解質膜２１は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜２１は、その両面に触媒層が形成され、電極として機能する一対のガス拡散層３１、３２が接合されている。固体高分子電解質膜２１のハンドリング性を高めるために、固体高分子電解質膜２１の外縁部が一対のフレーム２２、２３により挟持されている。フレーム２２、２３は、樹脂材料から成形され、両面テープを介して固体高分子電解質膜２１に貼り付けられている。

ガス拡散層３１側のセパレータ４１には、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝４３が形成されている。ガス拡散層３２側のセパレータ４２には、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝４４と、冷却水を流通させるための流路溝４５とが形成されている。流路溝４３〜４５の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。セパレータ４１、４２は、黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料を成形型で加圧成形することにより、流路溝４３〜４５をなす凹部を備えるように製造されている。金属製のセパレータもある。

単セルには、上述した構造の他にも、ガス拡散層３１、３２の側に触媒層を形成する形態、ガス拡散層３１、３２を使用しない形態、あるいはフレーム２２、２３を使用しない形態など種々の形態がある。本発明は、いずれの形態の単セルにも適用可能である。

本実施形態にあっては、本発明に係る燃料電池の製造方法を具現化した本発明に係る燃料電池の製造装置を、単セル１０を組み立てるために用いる単セル組み立て装置１００、および燃料電池スタックを組み立てるために用いるスタック組み立て装置２００の両者に適用している。

単セル組み立て装置１００においては、単セル構成部品のそれぞれ、具体的には、フレーム２２、２３が取り付けられた固体高分子電解質膜２１、ガス拡散層３１、３２、およびセパレータ４１、４２が、単セル１０を構成するように積層される。単セル組み立て装置１００に関する以下の説明においては、単セル構成部品のそれぞれを指称する用語として、「燃料電池構成要素１１０」という用語を用いる。

一方、スタック組み立て装置２００においては、少なくとも一組の単セル構成部品が単セル１０を構成するように積層された積層体が、燃料電池スタックを構成するように積層される。スタック組み立て装置２００に関する以下の説明においては、少なくとも一組の単セル構成部品が単セル１０を構成するように積層された積層体を指称する用語として、「燃料電池構成要素２１０」という用語を用いる。

単セル組み立て装置１００の構成、および作用を説明する。前述したように、ここで用いる「燃料電池構成要素１１０」は、単セル構成部品のそれぞれを指称している。

図２（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用した単セル組み立て装置１００を概略で示す平面図、および支持脚１０１を示す側面図、図３は、燃料電池構成要素１１０の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２０を示す斜視図である。

単セル組み立て装置１００は、中間シャフト１３０（シャフトに相当する）を挿通するための貫通孔１１１が形成された燃料電池構成要素１１０を、中間シャフト１３０に挿通しながら単セル１０を構成するように積層するために用いられる。貫通孔１１１は、後述するスタック組み立て装置２００においてタイロッドボルト２３０（シャフトに相当する）を挿通するための貫通孔でもある。

単セル組み立て装置１００は、概説すれば、燃料電池構成要素１１０の貫通孔１１１に摺動自在に貫通させた保持ピン１１２（ピンに相当する）を、中間シャフト１３０と同軸上に接続する接続手段１４０と、燃料電池構成要素１１０を、中間シャフト１３０側に向けて移動することによって、保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す引き渡し手段１５０と、を含んでいる。接続手段１４０および引き渡し手段１５０は、中間シャフト１３０の両端部のそれぞれの側に設けられている。そして、燃料電池構成要素１１０の中間シャフト１３０側への引き渡し作業を、中間シャフト１３０の両端部のそれぞれの側において行うようにしている。単セル組み立て装置１００はさらに、燃料電池構成要素１１０の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２０を保持ピン１１２と中間シャフト１３０とが同軸上となるセット位置に搬入する一方、構成体１２０における燃料電池構成要素１１０をシャフト側に引き渡した後の保持ピン１１２をセット位置から搬出する搬送手段１６０を含んでいる。中間シャフト１３０および保持ピン１１２が略水平方向に配置され、引き渡し手段１５０は、燃料電池構成要素１１０を水平方向に移動し、中間シャフト１３０側に引き渡している。接続手段１４０、引き渡し手段１５０、および搬送手段１６０のそれぞれの動作は、コントローラ１７０によって制御される。以下、詳述する。

図３を参照して、燃料電池構成要素１１０は、２個の貫通孔１１１が形成されている。貫通孔１１１の内径寸法は、燃料電池構成要素１１０の中間シャフト１３０側への引き渡しを円滑に行うために、中間シャフト１３０の外径寸法よりも僅かに大きい寸法に設定されている。燃料電池構成要素１１０の貫通孔１１１のそれぞれに保持ピン１１２を摺動自在に貫通させることにより、構成体１２０が形成されている。保持ピン１１２は、燃料電池構成要素１１０の厚さ寸法よりも十分に長い軸方向長さを有する。保持ピン１１２の外径寸法は、燃料電池構成要素１１０の中間シャフト１３０側への引き渡しを円滑に行うために、中間シャフト１３０の外径寸法と同寸法に設定されている。中間シャフト１３０は、単セル１０の厚さ寸法よりも十分に長い軸方向長さを有する。中間シャフト１３０は、２個の貫通孔１１１の位置に対応して、略水平方向に上下２本設けられている。なお、図２（Ａ）は平面図であるので、上側の中間シャフト１３０のみが現れている。

図２（Ａ）を参照して、単セル組み立て装置１００は、２本の中間シャフト１３０を支持する一対の支持脚１０１を有する。支持脚１０１は、図２（Ｂ）に矢印で示されるように、図示しないリフタ機構により、上下動自在および中間シャフト１３０から離反移動自在に設けられている。支持脚１０１の支持部１０２の上面には、中間シャフト１３０の外周面を保持する半円弧形状の凹部１０３が形成されている。リフタ機構の動作も、コントローラ１７０によって制御される。

前記接続手段１４０は、保持ピン１１２を押圧する移動自在なプッシュロッド１４１と、プッシュロッド１４１を中間シャフト１３０に対して進退駆動するアクチュエータ１４２と、を有している。なお、中間シャフト１３０と構成体１２０における保持ピン１１２との芯出しは、後述する搬送手段１６０において実施されている。

プッシュロッド１４１は、中間シャフト１３０と同軸上に配置され、中間シャフト１３０の長手方向と平行に移動する。アクチュエータ１４２は、例えば、流体圧シリンダやソレノイドなどから構成されている。

保持ピン１１２を中間シャフト１３０と同軸上に接続する際には、アクチュエータ１４２によりプッシュロッド１４１を中間シャフト１３０に向けて前進駆動する。プッシュロッド１４１の前進駆動に伴って、保持ピン１１２が中間シャフト１３０に向けて移動する。これにより、保持ピン１１２の先端部が中間シャフト１３０の端部に同軸上に接続される。保持ピン１１２は、中間シャフト１３０およびプッシュロッド１４１により挟持される。この状態からプッシュロッド１４１を後退駆動すると、保持ピン１１２と中間シャフト１３０との接続が解除される。

保持ピン１１２の先端部および中間シャフト１３０の両端部は、凹凸嵌合により接続する形状にすることが好ましい。燃料電池構成要素１１０の引き渡し作業中に、保持ピン１１２と中間シャフト１３０との接続がずれないようにするためである。接続部分をテーパ形状にすることにより、中間シャフト１３０と保持ピン１１２との芯出しも容易に行うことができる。

前記引き渡し手段１５０は、保持ピン１１２上の燃料電池構成要素１１０に当接する移動自在なプッシャ１５１と、プッシャ１５１を中間シャフト１３０に対して進退駆動するアクチュエータ１５２と、を有している。

プッシャ１５１は、プッシュロッド１４１を中心にして対称位置に一対設けられている。燃料電池構成要素１１０が偏って押さえられることを防止し、燃料電池構成要素１１０を保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に円滑に引き渡すためである。アクチュエータ１５２は、例えば、流体圧シリンダから構成されている。

燃料電池構成要素１１０を保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す際には、アクチュエータ１５２によりプッシャ１５１を中間シャフト１３０に向けて前進駆動する。プッシャ１５１の前進駆動に伴って、保持ピン１１２上の燃料電池構成要素１１０が保持ピン１１２にガイドされながら中間シャフト１３０側に向けて移動する。プッシャ１５１がさらに前進駆動されると、燃料電池構成要素１１０は、保持ピン１１２に接続された中間シャフト１３０上に移動し、当該中間シャフト１３０にガイドされながら移動する。これにより、燃料電池構成要素１１０が保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡される。引き渡し作業が終了すると、プッシャ１５１が初期位置まで後退駆動される。

前記搬送手段１６０は、保持ピン１１２を把持自在なロボットハンド１６１を備えるロボット１６２と、複数個の構成体１２０が整列されてストックされた搬入部１６３と、燃料電池構成要素１１０を中間シャフト１３０側に引き渡した後の保持ピン１１２を返却する搬出部１６４と、を有している。

ロボットハンド１６１は、搬入部１６３上の一の構成体１２０の保持ピン１１２を把持し、当該構成体１２０を保持ピン１１２と中間シャフト１３０とが同軸上となるセット位置に搬入する。このとき、ロボットハンド１６１の位置が調整され、保持ピン１１２の軸線が中間シャフト１３０の軸線に一致され、中間シャフト１３０と保持ピン１１２との芯出しが実施される。中間シャフト１３０側への燃料電池構成要素１１０の引き渡しが完了するまで、ロボットハンド１６１は、移動する燃料電池構成要素１１０と干渉しない位置において待機する。引き渡しが完了すると、ロボットハンド１６１は、保持ピン１１２を把持し、当該保持ピン１１２をセット位置から搬出する。ロボットハンド１６１は、搬出した保持ピン１１２を搬出部１６４に返却した後、初期位置に復帰する。

本実施形態では、単セル１０は、固体高分子電解質膜２１と一方のガス拡散層３２とを積層する第１の工程、他方のガス拡散層３１と一方のセパレータ４２とを積層する第２の工程、最後に、他方のセパレータ４１を積層する第３の工程を経て組み立てられる。各工程は、別々の加工ステージで実施される。このため、加工ステージのそれぞれに、上述した単セル組み立て装置１００を設置してある。第１、第２の工程が終了した組み立て途中の単セルは、ロボットにより、それぞれ、次工程の加工ステージに搬送され、支持脚１０１に載置される。また、第３の工程を経て組み立てが完了した単セル１０は、ロボットにより、支持脚１０１から取り外され、後述するスタック組み立て装置２００に直接搬送されたり、一時的にストックされたりする。

図４〜図６を参照しながら、単セル１０の組み立て手順を説明する。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、固体高分子電解質膜２１と一方のガス拡散層３２とを積層する第１の工程の説明に供する平面図、図５（Ａ）〜（Ｄ）は、他方のガス拡散層３１と一方のセパレータ４２とを積層する第２の工程の説明に供する平面図、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、他方のセパレータ４１を積層する第３の工程の説明に供する平面図である。なお、各図において、燃料電池構成要素１１０と干渉しない位置に退避した支持脚１０１は、破線により示されている。搬送手段１６０、フレーム２２、２３の図示も省略してある。

第１工程では、図４（Ａ）に示すように、支持脚１０１に保持された中間シャフト１３０の図中右側においては、固体高分子電解質膜２１の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２１（以下、「第１構成体１２１」ともいう）がセット位置に搬入される。中間シャフト１３０の図中左側においては、一方のガス拡散層３２の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２２（以下、「第２構成体１２２」ともいう）がセット位置に搬入される。第１と第２の構成体１２１、１２２を搬入する際には、ロボットハンド１６１の位置が調整され、中間シャフト１３０と保持ピン１１２との芯出しが実施される。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、接続手段１４０により、第１と第２の構成体１２１、１２２におけるそれぞれの保持ピン１１２を中間シャフト１３０と同軸上に接続する。具体的には、アクチュエータ１４２によりプッシュロッド１４１を中間シャフト１３０に向けて前進駆動し、保持ピン１１２の先端部を中間シャフト１３０の端部に同軸上に接続する。その後、支持脚１０１は、第１と第２の構成体１２１、１２２と干渉しない位置に退避する。ロボットハンド１６１も、第１と第２の構成体１２１、１２２と干渉しない位置に退避する。

その後、図４（Ｃ）に示すように、引き渡し手段１５０により、第１構成体１２１の固体高分子電解質膜２１および第２構成体１２２の一方のガス拡散層３２を、中間シャフト１３０側に向けて移動することによって、保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す。具体的には、アクチュエータ１５２によりプッシャ１５１を中間シャフト１３０に向けて前進駆動し、固体高分子電解質膜２１および一方のガス拡散層３２を各保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す。

引き渡し作業が終了すると、図４（Ｄ）に示すように、支持脚１０１により中間シャフト１３０を保持し、引き渡し手段１５０のプッシャ１５１が初期位置まで後退駆動される。ロボットハンド１６１により保持ピン１１２を把持した後、接続手段１４０のプッシュロッド１４１が初期位置まで後退駆動され、保持ピン１１２と中間シャフト１３０との接続が解除される。ロボットハンド１６１は、保持ピン１１２をセット位置から搬出して搬出部１６４に返却し、初期位置に復帰する。

以上により、第１工程での作業が終了する。第１の工程が終了した組み立て途中の単セルは、第２の工程の加工ステージに搬送され、支持脚１０１に載置される。

第２工程では、図５（Ａ）に示すように、中間シャフト１３０の図中右側においては、他方のガス拡散層３１の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２３（以下、「第３構成体１２３」ともいう）がセット位置に搬入される。中間シャフト１３０の図中左側においては、一方のセパレータ４２の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２４（以下、「第４構成体１２４」ともいう）がセット位置に搬入される。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、接続手段１４０により、第３と第４の構成体１２３、１２４におけるそれぞれの保持ピン１１２を中間シャフト１３０と同軸上に接続する。

その後、図５（Ｃ）に示すように、引き渡し手段１５０により、第３構成体１２３の他方のガス拡散層３１および第４構成体１２４の一方のセパレータ４２を、中間シャフト１３０側に向けて移動することによって、保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す。

引き渡し作業が終了すると、図５（Ｄ）に示すように、支持脚１０１により中間シャフト１３０を保持し、引き渡し手段１５０および接続手段１４０は初期状態に復帰する。また、保持ピン１１２は搬出部１６４に返却される。

以上により、第２工程での作業が終了する。第２の工程が終了した組み立て途中の単セルは、第３の工程の加工ステージに搬送され、支持脚１０１に載置される。

第３工程では、図６（Ａ）に示すように、中間シャフト１３０の図中右側に、他方のセパレータ４１の貫通孔１１１に保持ピン１１２を貫通させてなる構成体１２５（以下、「第５構成体１２５」ともいう）がセット位置に搬入される。

次いで、図６（Ｂ）に示すように、接続手段１４０により、第５構成体１２５における保持ピン１１２を中間シャフト１３０と同軸上に接続する。このとき、図中左側の接続手段１４０も作動され、両側から中間シャフト１３０を挟持する。

その後、図６（Ｃ）に示すように、引き渡し手段１５０により、第５構成体１２５の他方のセパレータ４１を、中間シャフト１３０側に向けて移動することによって、保持ピン１１２上から中間シャフト１３０側に引き渡す。このとき、図中左側の引き渡し手段１５０も作動され、両側から燃料電池構成要素１１０を押圧する。

引き渡し作業が終了すると、図６（Ｄ）に示すように、支持脚１０１により中間シャフト１３０を保持し、引き渡し手段１５０および接続手段１４０は初期状態に復帰する。また、保持ピン１１２は搬出部１６４に返却される。

以上により、第３工程での作業が終了する。組み立てが完了した単セル１０は、支持脚１０１から取り外され、スタック組み立て装置２００に直接搬送されたり、一時的にストックされたりする。

なお、単セル１０の組み立て時には、必要に応じて、接着剤やシール材が単セル構成部品に塗布される。塗布作業は、加工ステージに構成体１２１〜１２５を搬入する前の段階、あるいは、加工ステージに構成体１２１〜１２５を搬入した段階で行うことができ、特に限定されるものではない。

次に、スタック組み立て装置２００の構成、および作用を説明する。前述したように、ここで用いる「燃料電池構成要素２１０」は、少なくとも一組の単セル構成部品が単セル１０を構成するように積層された積層体を指称している。本実施形態のスタック組み立て装置２００は、上述した単セル組み立て装置１００において組み立てが完了した単セル１０を積層する。したがって、前記積層体は、具体的には、１個の単セル１０である。また、単セル組み立て装置１００において「シャフト」に相当していた中間シャフト１３０は、スタック組み立て装置２００においては「ピン」に相当することになる。

図７は、本発明を適用したスタック組み立て装置２００を概略で示す平面図である。

スタック組み立て装置２００は、タイロッドボルト２３０（シャフトに相当する）を挿通するための貫通孔１１１が形成された燃料電池構成要素２１０を、タイロッドボルト２３０に挿通しながら燃料電池スタックを構成するように積層するために用いられる。

スタック組み立て装置２００は、概説すれば、燃料電池構成要素２１０の貫通孔１１１に摺動自在に貫通させた前述の中間シャフト１３０（ピンに相当する）を、タイロッドボルト２３０と同軸上に接続する接続手段２４０と、燃料電池構成要素２１０を、タイロッドボルト２３０側に向けて移動することによって、中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に引き渡す引き渡し手段２５０と、を含んでいる。接続手段２４０および引き渡し手段２５０は、タイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側に設けられている。そして、燃料電池構成要素２１０のタイロッドボルト２３０側への引き渡し作業を、タイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側において行うようにしている。スタック組み立て装置２００はさらに、燃料電池構成要素２１０の貫通孔１１１に中間シャフト１３０を貫通させてなる構成体２２０を中間シャフト１３０とタイロッドボルト２３０とが同軸上となるセット位置に搬入する一方、構成体２２０における燃料電池構成要素２１０をタイロッドボルト２３０側に引き渡した後の中間シャフト１３０をセット位置から搬出する搬送手段２６０を含んでいる。タイロッドボルト２３０および中間シャフト１３０が略水平方向に配置され、引き渡し手段２５０は、燃料電池構成要素２１０を水平方向に移動し、タイロッドボルト２３０側に引き渡している。接続手段２４０、引き渡し手段２５０、および搬送手段２６０のそれぞれの動作は、コントローラ２７０によって制御される。以下、詳述する。

燃料電池構成要素２１０は、２個の貫通孔１１１が形成されている。貫通孔１１１の内径寸法は、燃料電池構成要素２１０のタイロッドボルト２３０側への引き渡しを円滑に行うために、タイロッドボルト２３０の外径寸法よりも僅かに大きい寸法に設定されている。燃料電池構成要素２１０の貫通孔１１１のそれぞれに中間シャフト１３０を摺動自在に貫通させることにより、構成体２２０が形成されている。構成体２２０は、具体的には、２本の中間シャフト１３０が挿通された単セル１０である。中間シャフト１３０は、燃料電池構成要素２１０の厚さ寸法よりも十分に長い軸方向長さを有する。中間シャフト１３０の外径寸法は、燃料電池構成要素２１０のタイロッドボルト２３０側への引き渡しを円滑に行うために、タイロッドボルト２３０の外径寸法と同寸法に設定されている。タイロッドボルト２３０は、燃料電池スタックを構成するのに必要な軸方向長さを有する。タイロッドボルト２３０は、２個の貫通孔１１１の位置に対応して、略水平方向に上下２本設けられている。なお、図７は平面図であるので、上側のタイロッドボルト２３０のみが現れている。

スタック組み立て装置２００は、２本のタイロッドボルト２３０を支持する一対の支持脚２０１を有する。支持脚２０１は、単セル組み立て装置１００の支持脚１０１と同様に、図示しないリフタ機構により、上下動自在およびタイロッドボルト２３０から離反移動自在に設けられている。支持脚２０１の支持部の上面には、タイロッドボルト２３０の外周面を保持する半円弧形状の凹部が形成されている。リフタ機構の動作も、コントローラ２７０によって制御される。

前記接続手段２４０は、中間シャフト１３０を押圧する移動自在なプッシュロッド２４１と、プッシュロッド２４１をタイロッドボルト２３０に対して進退駆動するアクチュエータと、を有している。なお、タイロッドボルト２３０と構成体２２０における中間シャフト１３０との芯出しは、後述する搬送手段２６０において実施されている。

プッシュロッド２４１は、中間シャフト１３０と同軸上に配置され、中間シャフト１３０の長手方向と平行に移動する。アクチュエータは、例えば、流体圧シリンダやソレノイドなどから構成されている。

プッシュロッド２４１は、タイロッドボルト２３０と同軸上に配置され、タイロッドボルト２３０の長手方向と平行に移動する。アクチュエータは、例えば、流体圧シリンダやソレノイドなどから構成されている。

中間シャフト１３０をタイロッドボルト２３０と同軸上に接続する際には、アクチュエータによりプッシュロッド２４１をタイロッドボルト２３０に向けて前進駆動する。プッシュロッド２４１の前進駆動に伴って、中間シャフト１３０がタイロッドボルト２３０に向けて移動する。これにより、中間シャフト１３０の先端部がタイロッドボルト２３０の端部に同軸上に接続される。中間シャフト１３０は、タイロッドボルト２３０およびプッシュロッド２４１により挟持される。この状態からプッシュロッド２４１を後退駆動すると、中間シャフト１３０とタイロッドボルト２３０との接続が解除される。

中間シャフト１３０の先端部およびタイロッドボルト２３０の両端部は、凹凸嵌合により接続する形状にすることが好ましい。燃料電池構成要素２１０の引き渡し作業中に、中間シャフト１３０とタイロッドボルト２３０との接続がずれないようにするためである。接続部分をテーパ形状にすることにより、タイロッドボルト２３０と中間シャフト１３０との芯出しも容易に行うことができる。

前記引き渡し手段２５０は、中間シャフト１３０上の燃料電池構成要素２１０に当接する移動自在なプッシャ２５１と、プッシャ２５１をタイロッドボルト２３０に対して進退駆動するアクチュエータと、を有している。

プッシャ２５１は、プッシュロッド２４１を中心にして対称位置に一対設けられている。燃料電池構成要素２１０が偏って押さえられることを防止し、燃料電池構成要素２１０を中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に円滑に引き渡すためである。アクチュエータは、例えば、流体圧シリンダから構成されている。

燃料電池構成要素２１０を中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に引き渡す際には、アクチュエータによりプッシャ２５１をタイロッドボルト２３０に向けて前進駆動する。プッシャ２５１の前進駆動に伴って、中間シャフト１３０上の燃料電池構成要素２１０が中間シャフト１３０にガイドされながらタイロッドボルト２３０側に向けて移動する。プッシャ２５１がさらに前進駆動されると、燃料電池構成要素２１０は、中間シャフト１３０に接続されたタイロッドボルト２３０上に移動し、当該タイロッドボルト２３０にガイドされながら移動する。これにより、燃料電池構成要素２１０が中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に引き渡される。引き渡し作業が終了すると、プッシャ２５１が初期位置まで後退駆動される。

前記搬送手段２６０は、構成体２２０と、燃料電池構成要素２１０をタイロッドボルト２３０側に引き渡した後の中間シャフト１３０とを搬送するための搬送部材２６１と、構成体２２０および中間シャフト１３０を昇降するためのリフタ２６２と、タイロッドボルト２３０と中間シャフト１３０との芯出しを行うための図示しない位置調整機構と、を有している。

搬送部材２６１は、例えばベルトコンベアから構成されている。ベルトコンベア２６１は、接続手段２４０および引き渡し手段２５０と、タイロッドボルト２３０との間を通るように設けられている。リフタ２６２は、中間シャフト１３０が載置されるアーム形状を有し、上下方向（図７において紙面に直交する方向）に昇降駆動される。位置調整機構は、リフタ２６２が取り付けられたスライダ、タイロッドボルト２３０の位置を検出するセンサ、センサによる検出信号に基づいてスライダを動かす駆動モータなどから構成されている。

構成体２２０は、ベルトコンベア２６１上に載置され、接続手段２４０および引き渡し手段２５０と、タイロッドボルト２３０との間に搬送されてくる。下降位置に待機したリフタ２６２は、上昇駆動され、中間シャフト１３０を保持する。リフタ２６２は、上昇位置において、構成体２２０を中間シャフト１３０とタイロッドボルト２３０とが同軸上となるセット位置に搬入する。このとき、位置調整機構によりリフタ２６２の上昇位置が調整され、中間シャフト１３０の軸線がタイロッドボルト２３０の軸線に一致され、タイロッドボルト２３０と中間シャフト１３０との芯出しが実施される。タイロッドボルト２３０側への燃料電池構成要素２１０の引き渡しが完了するまで、リフタ２６２は、移動する燃料電池構成要素２１０と干渉しない位置において待機する。引き渡しが完了すると、リフタ２６２は、上昇位置において中間シャフト１３０を保持し、当該中間シャフト１３０をセット位置から搬出する。リフタ２６２は、下降して、中間シャフト１３０をベルトコンベア２６１上に返却した後、下降位置に復帰する。

燃料電池スタックの組み立て手順を説明する。

図７に示すように、支持脚２０１に保持されたタイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側において、搬送手段２６０により、単セル１０の貫通孔１１１に中間シャフト１３０を貫通させてなる構成体２２０がセット位置に搬入される。構成体２２０を搬入する際には、リフタ２６２の位置が調整され、タイロッドボルト２３０と中間シャフト１３０との芯出しが実施される。

次いで、接続手段２４０により、構成体２２０における中間シャフト１３０をタイロッドボルト２３０と同軸上に接続する。具体的には、アクチュエータによりプッシュロッド２４１をタイロッドボルト２３０に向けて前進駆動し、中間シャフト１３０の先端部をタイロッドボルト２３０の端部に同軸上に接続する。その後、支持脚２０１は、構成体２２０と干渉しない位置に退避する。リフタ２６２も、構成体２２０と干渉しない位置に退避する。

その後、引き渡し手段２５０により、構成体２２０の単セル１０を、タイロッドボルト２３０側に向けて移動することによって、中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に引き渡す。具体的には、アクチュエータによりプッシャ２５１をタイロッドボルト２３０に向けて前進駆動し、単セル１０を中間シャフト１３０上からタイロッドボルト２３０側に引き渡す。

引き渡し作業が終了すると、支持脚２０１によりタイロッドボルト２３０を保持し、引き渡し手段２５０のプッシャ２５１が初期位置まで後退駆動される。上昇したリフタ２６２により中間シャフト１３０を保持した後、接続手段２４０のプッシュロッド２４１が初期位置まで後退駆動され、中間シャフト１３０とタイロッドボルト２３０との接続が解除される。リフタ２６２は、下降して、中間シャフト１３０をセット位置から搬出してベルトコンベア２６１上に返却し、下降位置に復帰する。

上述した操作を繰り返し、必要な枚数の単セル１０をタイロッドボルト２３０に挿通しながら積層する。最後に、タイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側に図示しないエンドプレートを組み付け、締め付ければ、燃料電池スタックの組み立てが完了する。

以上説明したように、本実施形態では、単セル１０を組み立てるに際して、燃料電池構成要素１１０（単セル構成部品のそれぞれ）の中間シャフト１３０側への引き渡し作業を、中間シャフト１３０の両端部のそれぞれの側において行うため、中間シャフト１３０の一端部の側からのみ燃料電池構成要素１１０を積層する場合に比較して、積層作業を迅速に行うことができる。したがって、単セル１０の製造に要する時間が短縮され、もって、燃料電池の製造に要する時間を短縮して、燃料電池の生産性の向上に寄与することができる。

さらに、燃料電池スタックを組み立てるに際して、燃料電池構成要素２１０（単セル１０）のタイロッドボルト２３０側への引き渡し作業を、タイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側において行うため、タイロッドボルト２３０の一端部の側からのみ燃料電池構成要素２１０を積層する場合に比較して、積層作業を迅速に行うことができる。したがって、燃料電池スタックの製造に要する時間が短縮され、もって、燃料電池の製造に要する時間を短縮して、燃料電池の生産性の向上に寄与することができる。

燃料電池構成要素１１０、２１０（単セル構成部品のそれぞれ、または単セル１０）を水平方向に積層していくため、燃料電池構成要素１１０、２１０の自重による影響、例えば、割れ、傾き、ずれなどを回避することも可能となる。

（変形例）
スタック組み立て装置２００において、タイロッドボルト２３０の両端部のそれぞれの側から１個の単セル１０を引き渡す形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。２組以上の単セル構成部品が単セル１０を構成するように積層された積層体である「燃料電池構成要素２１０」を引き渡してもよい。この場合には、積層作業をより迅速に行うことができる。

シャフトに相当する中間シャフト１３０やタイロッドボルト２３０、およびピンに相当する保持ピン１１２や中間シャフト１３０を略水平方向に配置した形態について説明したが、シャフトおよびピンを略垂直方向に配置することもできる。

タイロッドボルト２３０は比較的長尺であるため、タイロッドボルト２３０に引き渡された燃料電池構成要素２１０をタイロッドボルト２３０上で移動させる手段を、プッシャ２５１と別個に設けてもよい。

本発明は、燃料電池を製造する用途に適用できる。

本発明の実施形態に係る単セルを示す断面図である。 図２（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用した単セル組み立て装置を概略で示す平面図、および支持脚を示す側面図である。 燃料電池構成要素の貫通孔に保持ピンを貫通させてなる構成体を示す斜視図である。 図４（Ａ）〜（Ｄ）は、固体高分子電解質膜と一方のガス拡散層とを積層する第１の工程の説明に供する平面図である。 図５（Ａ）〜（Ｄ）は、他方のガス拡散層と一方のセパレータとを積層する第２の工程の説明に供する平面図である。 図６（Ａ）〜（Ｄ）は、他方のセパレータを積層する第３の工程の説明に供する平面図である。 本発明を適用したスタック組み立て装置を概略で示す平面図である。

符号の説明

１０ 単セル、積層体、
２１ 固体高分子電解質膜（固体電解質膜）、
２２、２３ フレーム、
３１ 他方のガス拡散層、
３２ 一方のガス拡散層、
４１ 他方のセパレータ、
４２ 一方のセパレータ、
４３〜４５ 流路溝、
１００ 単セル組み立て装置（燃料電池の製造装置）、
１０１ 支持脚、
１１０ 燃料電池構成要素（単セルを構成するためのそれぞれの部品）、
１１１ 貫通孔、
１１２ 保持ピン（ピン）、
１２０〜１２５ 構成体、
１３０ 中間シャフト（単セル組み立て装置においては「シャフト」、スタック組み立て装置においては「ピン」）、
１４０ 接続手段、
１４１ プッシュロッド、
１４２ アクチュエータ、
１５０ 引き渡し手段、
１５１ プッシャ、
１５２ アクチュエータ、
１６０ 搬送手段、
１６１ ロボットハンド、
１６２ ロボット、
１７０ コントローラ、
２００ スタック組み立て装置（燃料電池の製造装置）、
２０１ 支持脚、
２１０ 燃料電池構成要素（単セルを構成するように積層された積層体）、
２２０ 構成体、
２３０ タイロッドボルト（シャフト）、
２４０ 接続手段、
２４１ プッシュロッド、
２５０ 引き渡し手段、
２５１ プッシャ、
２６０ 搬送手段、
２６１ 搬送部材、ベルトコンベア、
２６２ リフタ、
２７０ コントローラ。

Claims (11)

1. シャフトを挿通するための貫通孔が形成された燃料電池構成要素を、前記シャフトに挿通しながら積層する、燃料電池の製造方法において、
   前記燃料電池構成要素の前記貫通孔に摺動自在に貫通させたピンを、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において、前記シャフトと同軸上に接続し、
   前記燃料電池構成要素を、前記シャフト側に向けて移動することによって、前記ピン上から前記シャフト側に引き渡してなり、
   前記燃料電池構成要素の前記シャフト側への引き渡し作業を、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において行うようにしたことを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 前記シャフトおよび前記ピンが略水平方向に配置され、前記燃料電池構成要素を水平方向に移動して前記シャフト側に引き渡す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. 前記燃料電池構成要素は、単セルを構成するための複数個の部品のそれぞれであ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。
4. 前記燃料電池構成要素は、単セルを構成するための複数個の部品を少なくとも一組含み、前記複数個の部品が単セルを構成するように積層された積層体であ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。
5. 前記単セルを構成するための複数個の部品は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟持するための一対のセパレータと、を含んでいることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. シャフトを挿通するための貫通孔が形成された燃料電池構成要素を、前記シャフトに挿通しながら積層する、燃料電池の製造装置において、
   前記シャフトの両端部のそれぞれの側に設けられ、前記燃料電池構成要素の前記貫通孔に摺動自在に貫通させたピンを、前記シャフトと同軸上に接続する接続手段と、
   前記シャフトの両端部のそれぞれの側に設けられ、前記燃料電池構成要素を、前記シャフト側に向けて移動することによって、前記ピン上から前記シャフト側に引き渡す引き渡し手段と、を含んでなり、
   前記燃料電池構成要素の前記シャフト側への引き渡し作業を、前記シャフトの両端部のそれぞれの側において行うようにしたことを特徴とする燃料電池の製造装置。
7. 前記燃料電池構成要素の前記貫通孔に前記ピンを貫通させてなる構成体を前記ピンと前記シャフトとが同軸上となるセット位置に搬入する一方、前記構成体における前記燃料電池構成要素を前記シャフト側に引き渡した後の前記ピンを前記セット位置から搬出する搬送手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
8. 前記シャフトおよび前記ピンが略水平方向に配置され、前記引き渡し手段が前記燃料電池構成要素を水平方向に移動して前記シャフト側に引き渡すことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
9. 前記燃料電池構成要素は、単セルを構成するための複数個の部品のそれぞれであることを特徴とする請請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
10. 前記燃料電池構成要素は、単セルを構成するための複数個の部品を少なくとも一組含み、前記複数個の部品が単セルを構成するように積層された積層体であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
11. 前記単セルを構成するための複数個の部品は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟持するための一対のセパレータと、を含んでいることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の燃料電池の製造装置。

Images