JP2006185737A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層される燃料電池構成部材の位置決め精度を確保しつつ、前記燃料電池構成部材の積層作業がし易い燃料電池の製造方法を提供することである。
【解決手段】 回転中心軸部３１と湾曲規制面（３３）とを有する基準シャフト３０を用いると共に、回転中心軸部３１を中心にして基準シャフト３０を回転させた際の湾曲規制面（３３）の移動軌跡内領域Ｅｃより広い位置決め穴１１が所定部位に形成されたセパレータ１０を用い、回転中心軸部３１をエンドプレート２１に形成された回動孔２１ｃに嵌め込んで、基準シャフト３０を所定の基準位置にセットし、基準シャフト３０を前記位置決め穴１１に通して、基準シャフト３０の湾曲規制面（３３）にて位置決め穴１１の内周面が位置規制されるように、燃料電池構成部材１０を積層し、該積層された複数のセパレータ１０を一対のエンドプレート２１、２２の間で締め付け固定する構成となる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、一対のエンドプレートの間に単セル等の燃料電池構成部材が積層された構造となる燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池（スタック）は、単セル等の燃料電池構成部材が積層された構造となる。このような構造の燃料電池を製造する際には、複数の燃料電池構成部材それぞれが位置ずれすることなく正しく積層されることが重要である。このような要請により、従来、樹脂製（ＰＴＦＥ）のノックピンを加圧板（エンドプレート）に立設させ、セル位置決め穴の形成された燃料電池構成部材をそのセル位置決め穴に前記ノックピンを通すようにして順次積層し、その後、積層された燃料電池構成部材を締め付け固定するようにした燃料電池の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような製造方法によれば、各燃料電池構成部材がセル位置決め穴を通るノックピンによって位置規制されるので、複数の燃料電池構成部材を位置ずれすることなく正しく積層できるようになる。
特開平９−１３４７３４号公報

ところで、各燃料電池構成部材を位置ずれ少なく積層するためには、セル位置決め穴とノックピンとの間のクリアランスは小さいことが好ましいが、そのクリアランスが小さいと、前記セル位置決め穴にノックピンを通す作業がし難くなる。一方、作業性を重視して前記クリアランスをある程度大きくすると、積層される燃料電池構成部材それぞれの位置決め精度が悪くなる。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、積層される燃料電池構成部材の位置決め精度を確保しつつ、前記燃料電池構成部材の積層作業がし易い燃料電池の製造方法を提供するものである。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、燃料電池構成部材を一対のエンドプレートの間に複数積層した構造となる燃料電池の製造方法であって、回転中心軸部と該回転中心軸部の外周面よりその軸心から離れ、湾曲中心が前記回転中心軸部の軸心から偏心している湾曲規制面とを有する基準シャフトを用いると共に、前記回転中心軸部を中心にして前記基準シャフトを回転させた際の前記湾曲規制面の移動軌跡内領域より広い位置決め穴が所定部位に形成された燃料電池構成部材を用い、前記回転中心軸部を前記一対のエンドプレートの一方に形成された回動孔に嵌め込んで、前記基準シャフトを所定の基準位置にセットする第一工程と、前記基準シャフトを前記位置決め穴に通して、前記基準シャフトの湾曲規制面にて前記位置決め穴の内周面が位置規制されるように、前記燃料電池構成部材を積層する第二工程と、前記積層された複数の燃料電池構成部材を前記一対のエンドプレートの間で締め付け固定する第三工程とを有する構成となる。

このような構成では、基準シャフトの回転中心軸部を中心にして回転させた際の湾曲規制面の移動軌跡内領域より広い位置決め穴に前記基準シャフトを通して燃料電池構成部材を積層することから、基準シャフトを前記位置決め穴に遊嵌させた状態で燃料電池構成部材を順次積層させることができるようになる。また、基準位置にセットされた基準シャフトの湾曲規制面にて前記位置決め穴の内周面が位置規制されるように前記燃料電池構成部材が積層されるので、基準シャフトの湾曲規制面に対するその積層された各燃料電池構成部材の相対的な位置関係を同一にすることができる。

前記燃料電池構成部材は、単セル、単セルを構成するセパレータ、樹脂フィルム（ＭＥＡ等）、単セルを複数積層固定したセルモジュール、セルモジュールの端部に配置され、発電に関与しない端部セル（リセット板）等、燃料電池を構成すべき部材であれば特に限定されない。

また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記基準シャフトが、軸心が前記回転中心軸部の軸心から偏心するように前記回転中心軸部に合体した湾曲軸部を有し、前記湾曲軸部の外周面にて前記湾曲規制面を構成したものとすることができる。

このような構成により、回転中心軸部の外周面よりその軸心から離れ、湾曲中心が前記回転中心軸部の軸心から偏心している湾曲規制面が形成された基準シャフトを実現することができる。

また、本発明に係る燃料電池製造方法は、更に、前記複数の燃料電池構成部材が前記一対のエンドプレートの間で締め付け固定された後に、前記回転中心軸部を回動させて前記複数の燃料電池構成部材に形成された位置決め穴の前記湾曲規制面による規制状態を解除して前記基準シャフトを前記エンドプレートから前記回動孔を通して抜き出す第四工程を有する構成とすることができる。

このような構成により、燃料電池構成部材が積層されて一対のエンドプレートの間で締め付け固定された後に基準シャフトが引き抜かれるので、金属製の基準シャフトを用いることが可能となる。このため、例えば樹脂に比べて強度の高い金属を用いることにより、基準シャフトの太さを小さくすることができ、その結果、各燃料電池構成部材に形成すべき位置決め穴も小さくすることができる。

更に、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第二工程が、各燃料電池構成部材の外縁に低反発部材を押し当てながら前記燃料電池構成部材の位置決め穴の内周面を前記基準シャフトの湾曲規制面に当接させて位置規制する構成とすることができる。

このような構成により、各燃料電池構成部材の外縁に凹凸があったとしても、その外縁の凹凸が低反発部材に吸収されることから、均一な力によって各燃料電池構成部材の位置決め穴の内周面を基準シャフトの湾曲規制面に当接させることができるようになる。

前記低反発部材は、前記燃料電池構成部材の外縁に存在する凹凸を吸収して当該燃料電池構成部材を均一な力で押えることのできる程度の低い反発力を有する部材であって、例えば、スポンジ、ゴム等で構成することができる。

また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記複数の燃料電池構成部材のそれぞれに形成された位置決め穴が楕円形状となる構成とすることができる。

このような構成により、位置決め穴の長径側における基準シャフトとのクリアランスがより大きくなり、位置決め穴に前記基準シャフトを通す作業をより容易に行なうことができるようになる。

本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、基準シャフトを前記位置決め穴に遊嵌させた状態で燃料電池構成部材を順次積層させることができるようになり、また、基準位置にセットされた基準シャフトの湾曲規制面にて前記位置決め穴の内周面が位置規制されることにより、基準シャフトの湾曲規制面に対する積層された各燃料電池構成部材の相対位置関係を同一にすることができるので、積層される燃料電池構成部材の位置決め精度を確保しつつ、前記燃料電池構成部材の積層作業をし易くすることができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

本発明の実施の形態に係る製造方法にて製造されるべき燃料電池（スタック）は、図１に示すように構成される。なお、燃料電池（スタック）を構成する複数の単セル（ＭＥＡ（膜・電極接合体）を一対のセパレータで挟み込んだ構造）それぞれにおいては、構造上セパレータの物理的に占める割合が大きく、以下の説明では、セパレータを単セルの意味として用いる。

図１において、この燃料電池（スタック）は、一対のエンドプレート２１、２２の間に燃料電池構成部材となる板状のセパレータ１０が複数積層された構造となる。積層された複数のセパレータ１０は、荷重調整ネジ２４によって調整されるスプリングボックス２３の加圧力によって、エンドプレート２１、２２の間で締め付け固定されている。また、エンドプレート２１、２２及びスプリングボックス２３の四隅が外部拘束シャフト２５ａ、２５ｂ（図面では、２つしか表れていない）によって拘束され、エンドプレート２１、２２及びスプリングボックス２３がずれないようになっている。

このような構造の燃料電池は次のようにして製造される。

まず、図２（ａ）に示すような基準シャフト３０が用いられる。この基準シャフト３０は、軸心Ｌｃ１が一致する一対の回転中心軸部３１、３２と、回転中心軸部３１、３２に挟まれるようにそれぞれと合体した湾曲軸部３３（円柱形状）とを有している。湾曲軸部３３の軸心Ｌｃ２は、回転中心軸部３１、３２の軸心Ｌｃ１から偏心しており、湾曲軸部３３の外周面における回転中心軸部３１、３２の外周面よりその軸心Ｌｃ１から離れた部位が後述する湾曲規制面となる。

また、図３（ａ）に示すように、一方のエンドプレート２１には、例えば、その外縁辺２１ａの中心線上の所定部位に、基準シャフト３０が貫通し得る楕円形状の貫通孔２１ｃが形成されている。この貫通孔２１ｃは、例えば、後述する各セパレータ１０に形成すべき位置決め穴１１と同じ形状となり、その短軸側内周面がエンドプレート２１の外縁辺２１ａに対向し、その外縁辺２１ａと直行する外縁辺２１ｂに貫通孔２１ｃの長軸側内周面が対向するようになっている。他方のエンドプレート２２には、エンドプレート２１の貫通孔２１ｃに対向して、図３（ｂ）に示すように、基準シャフト３０の回転中心軸部３２が回動自在にはめ込まれるべき回動孔２２ｃが形成されている。回動孔２２ｃは、回転中心軸部３２の軸心Ｌｃ１に垂直な断面形状に対応した形状となっており、湾曲軸部３３の引っ掛かりによって基準シャフト３０がエンドプレート２２の外側（セパレータ１０が積層される側と逆側）に引き抜くことができないようになっている。

更に、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、積層すべき各セパレータ１０には、例えば、その外縁辺１０ａの中心軸線上の所定部位に、楕円形状となる位置決め穴１１が形成されている。この位置決め穴１１は、回転中心軸部３１を中心にして基準シャフト３０を回転させた際の湾曲軸部３３の外周面（湾曲規制面）の移動軌跡内領域Ｅｃ（図４（ｂ）における二点鎖線参照）より広いものとなっている。位置決め穴１１（楕円形状）の短軸側内周面がセパレータ１０の外縁辺１０ａに対向し、その外縁辺１０ａと直行する外縁辺１０ｂに位置決め穴１１の長軸側内周面が対向するようになっている。

なお、各図において、貫通孔２１ｃ（図３（ａ）参照）がエンドプレート２１に１つ、回転孔２２ｃ（図３（ｂ）参照）がエンドプレート２２に１つ、位置決め穴１１（図４参照）がセパレータ１０に１つ形成されているが、実際には、他の貫通孔、回転孔及び位置決め穴（図示略）がエンドプレート２１、２２及びセパレータ１０に形成されている。当該他の貫通孔（回転孔）（図３参照）は、例えば、エンドプレート２１（２２）の前述した外縁辺２１ａ（２２ａ）に直行する外縁辺２１ｂ（２２ｂ）の中心線上の所定部位に形成され、また、当該他の位置決め穴は、例えば、セパレータ１０の前述した外縁辺１０ａに直行する外縁辺１０ｂの中心軸上の所定部位に形成されている。これにより、積層される各セパレータ１０は２箇所で位置決めされることになる。更に、各セパレータ１０を同様にして３箇所以上で位置決めすることも勿論可能である。これらの場合、それぞれの箇所での位置決めの仕方は同じであるので、以下、１箇所での位置決めの仕方とともに燃料電池の製造手順について具体的に説明する。

前述したような基準シャフト３０の回転中心軸部３２がエンドプレート２２の回動孔２２ｃに嵌めこまれ、基準シャフト３０が、図３（ｂ）に示すように、湾曲軸部３３の先端部分がエンドプレート２２の外縁辺２２ａに対向する向きとなる基準位置にセットされる。（第一工程）。これにより、図４（ａ）に示すように、エンドプレート２２の内側面に基準シャフト３０が立設した状態となる。

この状態で、位置決め穴１１に基準シャフト３０を通して、基準シャフト３０の湾曲軸部３３における湾曲規制面（外周面）にて位置決め穴１１の内周面が位置規制されるように、セパレータ１０が順次積層される（第二工程）。具体的には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、比較的ラフな状態で位置決め穴１１に基準シャフト３０を通してセパレータ１０が順次積層される。そして、所定枚数のセパレータ１０が積層された後に、基準シャフト３０が自由に貫通する孔を有するスプリングボックス２３が積層され（図示略）、更に、エンドプレート２１が、セパレータ１０と同様に貫通孔２１ｃに比較的ラフな状態で基準シャフト３０を通して積層される。次いで、図５（ａ）（ｂ）に示すように、セパレータ１０の外縁辺１０ａにスポンジ等の低反発部材４０を押し当てながらセパレータ１０の位置決め穴１１の内周面が基準シャフト３０の前記湾曲規制面に当接させられて位置規制がなされる。このとき、エンドプレート２１もまた、貫通孔２１ｃの内周面が基準シャフト３０の前記湾曲規制面に当接させられて位置規制がなされる（図３（ａ）参照）。その結果、外縁辺１０ａ及び２１ａが揃った状態でセパレータ１０及びエンドプレート２１が積層される（図５（ａ）参照）。

このようにしてセパレータ１０及びエンドプレート２１が基準シャフト３０によって規制された状態で積層されると、外部拘束シャフト２５ａ、２５ｂがエンドプレート２１、２２及びスプリングボックス２３に通されて、その端部にナット（図示略）が装着される。そして、荷重調整ネジ２４によって調整されるスプリングボックス２３の加圧力及び外部拘束シャフト２３の端部に装着されたナットの締め付けによって、エンドプレート２１、２２の間で積層されたセパレータ１０が締め付け固定される（第三工程）。

削除

このようにして積層されたセパレータ１０が一対のエンドプレート２１、２２の間で締め付け固定された後に、基準シャフト３０が積層されたセパレータ１０から引き抜かれる（第四工程）。具体的には、エンドプレート２１から外方に突出する回転中心軸３１を回動させることにより、エンドプレート２２の回動孔２２ｃに嵌合している回転中心軸部３２を回動させて、前記基準位置（図４、図５参照）にセットされていた基準シャフト３０が図２（ｂ）に示すように９０°回動される。その結果、図６（ｂ）に示すように、基準シャフト３０の湾曲軸部３３の外周（湾曲規制面）先端が各セパレータ１０の位置決め穴１１の長軸側内周面に対向するようになって、各セパレータ１０の位置決め穴１１の湾曲規制面（湾曲軸部３３の外周面）による規制状態が解除され、基準シャフト３０が各セパレータ１０の位置決め穴１１に遊嵌した状態となる（図６（ａ）、（ｂ）参照）。また、このとき、図３（ｃ）に示すように、基準シャフト３０の湾曲軸部３３の外周（湾曲規制面）先端がエンドプレート２１の貫通孔２１ｃの長軸側内周面に対向するようになり、各セパレータ１０と同様、エンドプレート２１に対する基準シャフト３０による位置規制が解除される。この状態で、基準シャフト３０が各セパレータ１０の位置決め穴１１及びエンドプレート２１の回動孔２１ｃを通してエンドプレート２１の外方に引き抜かれる。これにより、図１に示すような構造の燃料電池（スタック）が完成する。

前述した製造方法によれば、各セパレータ１０及びエンドプレート２１には、回転中心軸部３１を中心にして基準シャフト３０を回転させた際の湾曲軸部３３の外周面（湾曲規制面）の移動軌跡内領域Ｅｃ（図４（ｂ）における二点鎖線参照）より広い楕円形状の位置決め穴１１及び貫通孔２１ｃが形成されているので、基準シャフト３０が位置決め穴１１及び貫通孔２１ｃに遊嵌した状態（図４（ａ）、（ｂ）参照）で各セパレータ１０及びエンドプレート２１を積層することができる。そのため、基準シャフト３０を位置決め穴１１及びエンドプレート２１に通す作業がし易く、その結果、セパレータ１０及びエンドプレート２１の積層作業がし易いものとなる。また、基準位置にセットされた基準シャフト３０の湾曲規制面（湾曲軸部３３の外周面）に各セパレータ１０及びエンドプレート２１の位置決め穴１１の内周面を当接させて位置決め穴１１の位置規制が確実になされることから（図５（ａ）、（ｂ）参照）、各セパレータ１０及びエンドプレート２１の位置決め精度も確保することができるようになる。

更に、積層されたセパレータ１０が一対のエンドプレート２１、２２の間で締め付け固定された状態で、基準シャフト３０の前記湾曲規制面による各セパレータ１０の位置決め穴１１に対する位置規制状態が解除され、基準シャフト３０が位置決め穴１１に遊嵌した状態（図６（ａ）、（ｂ）参照）で、基準シャフト３０の引き抜きがなされるので、その基準シャフト３０の引き抜き作業もし易いものとなる。そして、基準シャフト３０が最終的に引き抜かれるので、セパレータ１０が金属製であっても、金属製の基準シャフト１０を用いることが可能となる。このため、例えば樹脂に比べて強度の高い金属を用いることにより、基準シャフト１０の太さを小さくすることができ、その結果、各セパレータ１０に形成すべき位置決め穴１１も小さくすることができる。

また、積層された各セパレータ１０の外縁辺１０ａをスポンジ等の低反発部材４０によって押して各セパレータ１０の位置決め穴１１の内周面を基準シャフト３０の湾曲規制面（湾曲軸部３３の外周面）に当接させるようにしているので、各セパレータ１０の外縁辺１０ａに僅かな凹凸があっても、均一な力で各セパレータ１０を押すことができるようになる。その結果、複数のセパレータ１０の位置決めを容易に行なうことができるようになる。

なお、前述した例では、基準シャフト３０は、２つの回転中心軸部３１、３２に湾曲軸部３３がその軸心を偏心させて合体した構造となっていたが、図７に示すように、１つの回転中心軸部６１の外周面に、湾曲軸部３３に相当する、湾曲突出部６２を形成するようにしてもよい。この場合、湾曲突出部６２の外周面の湾曲中心は、回転中心軸部６１の軸心Ｌｃから偏心されたものとなっている。そして、湾曲突出部６２の外周面が各セパレータ１０の位置決め穴１１の位置規制を行う湾曲規制面となる。

また、前述した例では、セパレータ１０（単セル）を燃料電池構成部材として説明したが、燃料電池構成部材としては、単セルを構成するＭＥＡ、セパレータ単体、単セルを複数積層して接着固定してなる単セルモジュールであってもよい。更に、図８に示すように、複数のセパレータ１０の間に発電に関与しない端部セル１５（リセット板）が挟み込まれる構造の燃料電池（スタック）では、その端部セル１５も燃料電池構成部材となる。この場合、各セパレータ１０と共に各端部セル１５にも図４（ｂ）に示すような位置決め穴１１が形成され、この位置決め穴１１の内周面を基準シャフト３０の湾曲規制面にて位置規制することにより、各端部セル１５の位置規制も行なうことができるようになる。

更に、前述した例では、基準シャフト３０が引き抜かれる側のエンドプレート２１には、各セパレータ１０に形成された位置決め穴１１と同形状の貫通孔２１ｃが形成されていたが、その貫通孔２１ｃは、基準シャフト３０の引き抜きに支障がなければ任意の形状とすることができる。

更に、図２や図７に記載の基準シャフト３０は、片側にのみ回転中心軸部を有する構成であってもよい。この場合でも、前述した基準シャフト３０の機能は果たせる。

更に、図４から図６において、エンドプレート２１側の基準シャフト３０の先端部位置は、締め付け固定する工程に影響がなく、エンドプレート２１の位置決めまで出来る位置であればどの位置でもよい。

以上、説明したように、本発明に係る燃料電池の製造方法は、積層される燃料電池構成部材の位置決め精度が確保されつつ、前記燃料電池構成部材の積層作業がし易いので、一対のエンドプレートの間に単セル等の燃料電池構成部材が積層された構造となる燃料電池の製造方法として有用である。

燃料電池（スタック）の構成例を示す図である。 基準シャフトを示す図である。 基準シャフトが嵌め込まれた状態の各エンドプレートを示す図である。 位置決め穴に基準シャフトを比較的ラフな状態で通して積層されたセパレータを示す図である。 基準シャフトによって位置決め穴の内周面が位置規制された状態のセパレータを示す図である。 基準シャフトを積層されたセパレータから抜き出す際の基準シャフトと各セパレータの位置決め穴との位置関係を示す図である。 基準シャフトの他の構成例を示す図である。 燃料電池（スタック）の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ セパレータ（単セル）
１０ａ、１０ｂ 外縁辺
１１ 位置決め穴
１５ 端部セル
２１、２２ エンドプレート
２１ａ、２１ｂ 外縁辺
２１ｃ 回動孔
２３ スプリングボックス
２４ 荷重調整ネジ
２５ａ、２５ｂ 外部拘束シャフト
３０ 基準シャフト
３１、３２ 回転中心軸部
３３ 湾曲軸部
４０ 低反発部材
６０ 基準シャフト
６１ 回転中心軸部
６２ 湾曲突出部

Claims (5)

1. 燃料電池構成部材を一対のエンドプレートの間に複数積層した構造となる燃料電池の製造方法であって、
   回転中心軸部と該回転中心軸部の外周面よりその軸心から離れ、湾曲中心が前記回転中心軸部の軸心から偏心している湾曲規制面とを有する基準シャフトを用いると共に、前記回転中心軸部を中心にして前記基準シャフトを回転させた際の前記湾曲規制面の移動軌跡内領域より広い位置決め穴が所定部位に形成された燃料電池構成部材を用い、
   前記回転中心軸部を前記一対のエンドプレートの一方に形成された回動孔に嵌め込んで、前記基準シャフトを所定の基準位置にセットする第一工程と、
   前記基準シャフトを前記位置決め穴に通して、前記基準シャフトの湾曲規制面にて前記位置決め穴の内周面が位置規制されるように、前記燃料電池構成部材を積層する第二工程と、
   前記積層された複数の燃料電池構成部材を前記一対のエンドプレートの間で締め付け固定する第三工程とを有する燃料電池の製造方法。
2. 前記基準シャフトは、軸心が前記回転中心軸部の軸心から偏心するように前記回転中心軸部に合体した湾曲軸部を有し、前記湾曲軸部の外周面にて前記湾曲規制面を構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
3. 更に、前記複数の燃料電池構成部材が前記一対のエンドプレートの間で締め付け固定された後に、前記回転中心軸部を回動させて前記複数の燃料電池構成部材に形成された位置決め穴の前記湾曲規制面による規制状態を解除して前記基準シャフトを前記エンドプレートから前記回動孔を通して抜き出す第四工程を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記第二工程は、各燃料電池構成部材の外縁に低反発部材を押し当てながら前記燃料電池構成部材の位置決め穴の内周面を前記基準シャフトの湾曲規制面に当接させて位置規制することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記複数の燃料電池構成部材のそれぞれに形成された位置決め穴は、楕円形状となることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
   

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