JP2006185738A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池構成部材の組付け作業をよりし易くできると共に、燃料電池構成部材をより確実に拘束することができるような燃料電池の製造方法を提供することである。
【解決手段】 貫通孔１１にシャフト３０を通して燃料電池構成部材１０を複数積層し、複数の燃料電池構成部材１０を前記シャフト３０によって所定方向Ａに拘束した状態でその積層方向に締結して燃料電池を製造する方法であって、所定操作によって、拘束すべき所定方向Ａにおける幅が可変となるシャフト１１を用い、シャフト３０と貫通孔１１との間の拘束すべき所定方向Ａに第１の隙間Δ１が形成される状態で、貫通孔１１にシャフト３０を通して燃料電池構成部材１０を積層する第１工程と、シャフト３０と貫通孔１１との間の前記拘束すべき所定方向Ａに第１の隙間Δ１より小さい第２隙間Δ２が形成されるようにシャフト３０に対する所定操作を行なう第２工程とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、単セル等の燃料電池構成部材にシャフトを貫通させて所定の方向に対して拘束した状態で当該燃料電池構成部材を複数積層及び締結し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。積層された複数の燃料電池構成部材は、通常、その積層方向に締結された状態で保持される。更に、燃料電池構成部材の数が多くなると、その積層方向の締結力だけでは、その複数の燃料電池抗生剤を保持しにくくなることから、各燃料電池構成部材にシャフトを貫通させて各燃料電池構成部材を所定方向に対して拘束するようにしている。これにより、燃料電池構成部材の数が多くなっても、積層された複数の燃料電池構成部材を確実に締結保持できるようになる。

従来、このような構造となる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）。

この従来の製造方法では、燃料電池構成部材となる単セルに貫通孔が形成され、その貫通孔に中間アダプタ（シャフト）を通して当該単セルを複数積層し、その複数の単セルを前記中間アダプタによって拘束するようにしている。中間アダプタと貫通孔との間には、所定の隙間が形成されるように貫通孔の径と中間アダプタの径が決められており、また、中間アダプタの外周面には貫通孔に圧接すべき突起が形成されている。

このように、中間アダプタと貫通孔との間に隙間が形成されるので、貫通孔にアダプタを通して単セルを積層する作業がし易くなると共に、中間アダプタの突起が各単セルにおける貫通孔の内周面に圧接することで、各単セルをしっかり固定することもできるようになる。
特開平２００１−５７２２６号公報

しかしながら、前述したような従来の燃料電池の製造方法では、中間アダプタと貫通孔との間には隙間があるとはいえ、その中間アダプタの突起が貫通孔に圧接するようになっているので、貫通孔に中間アダプタ（シャフト）を通す際にその突起が邪魔になり、充分に作業がし易いものとはならない。また、突起だけで燃料電池構成部材を十分な拘束力をもって保持することができないおそれがある。

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、燃料電池構成部材の組付け作業をよりし易くできると共に、燃料電池構成部材をより確実に拘束することができるような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、所定位置に貫通孔の形成された燃料電池構成部材の当該貫通孔にシャフトを通して当該燃料電池構成部材を複数積層し、当該複数の燃料電池構成部材を前記シャフトによって所定方向に拘束した状態でその積層方向に締結して燃料電池を製造する方法であって、所定操作によって、前記拘束すべき所定方向における幅が可変となるシャフトを用い、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に第１の隙間が形成される状態で、前記貫通孔に前記シャフトを通して前記燃料電池構成部材を積層する第１工程と、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に前記第１の隙間より小さい第２の隙間が形成されるように前記シャフトに対する所定操作を行なう第２工程とを有する構成となる。

このような構成では、シャフトと貫通孔との間の拘束されるべき所定方向に第１の隙間が形成された状態で、前記貫通孔に前記シャフトを通して燃料電池構成部材を積層することができる。次いで、シャフトに対して所定操作を行なうことにより、シャフトと貫通孔との間の拘束されるべき所定方向に前記第１の隙間より小さい第２の隙間が形成されるようになる。この状態で、燃料電池構成部材は前記拘束すべき所定方向に拘束される。

なお、前記第２の隙間は、シャフトによって燃料電池構成部材を拘束するに充分小さな値に設定することができ、例えば、ゼロであってもよい。そして、第１の隙間は、貫通孔にシャフトを通す作業のし易さを損なわない程度に前記第２の隙間より大きく設定することができる。

また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記シャフトが、芯シャフトと該芯シャフトの表面を覆う弾性層とを有し、前記第２工程が、前記弾性層を、前記燃料電池構成部材の積層方向に圧縮する操作を行なって、前記弾性層と前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向における隙間を前記第１の隙間から前記第２の隙間に変える構成とすることができる。

このような構成により、拘束すべき所定方向に第１の隙間が生成されるように貫通孔にシャフトを通して燃料電池構成部材を積層した状態で、シャフトの弾性層を前記燃料電池の積層方向に圧縮する操作がなされると、前記弾性層の前記積層方向に垂直な方向の径が大きくなる。その結果、貫通孔と弾性層との間の拘束すべき所定方向の隙間が前記第１の隙間から前記第２の隙間に変えられる。

更に、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記シャフトの弾性層が、絶縁体にて形成されている構成とすることができる。

このような構成により、芯シャフトが金属製であっても、金属製の燃料電池構成部材と該芯シャフトとの間の絶縁を確保することができる。このため、剛性の高い金属製の芯シャフトを用いて全体として剛性の高いシャフトによって金属製の燃料電池構成部材を拘束することができるようになる。

また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、前記シャフトが、軸心に垂直な所定方向の幅が他の方向の幅より大きくなる前記軸心に垂直な断面形状を有し、前記第１工程が、前記シャフトの幅の大きくなる前記方向と前記拘束すべき所定方向とを一致させない状態で当該シャフトをセットして、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に第１の隙間が形成されるようにし、前記第２工程が、前記シャフトを回動させて前記幅の大きくなる前記方向と前記拘束すべき所定方向を一致させた状態にして、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に前記第２の隙間が形成されるようにした構成とすることができる。

このような構成により、シャフトの軸心を中心にした回動操作という比較的簡単な操作により、シャフトと貫通孔との間の拘束すべき所定方向の隙間を比較的大きい第１の隙間からそれより小さい第２の隙間に変える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、シャフトと貫通孔との間の拘束されるべき所定方向に比較的大きい第１の隙間が形成された状態で、前記貫通孔に前記シャフトを通して燃料電池構成部材を積層することができるので、燃料電池構成部材の積層作業がより容易なものとなり得る。また、この状態で、シャフトを操作することにより、シャフトと貫通孔との間の拘束されるべき所定方向に前記第１の隙間より燃料電池構成部材を充分拘束し得る程度に小さい第２の隙間が形成されるようになるので、燃料電池構成部材を前記拘束すべき所定方向により確実に拘束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、積層された複数のセパレータ１０のそれぞれは、それらの周辺部を貫通する外部拘束シャフト３０ａ、３０ｂによって、その積層方向と直交する方向（図における上下方向）に拘束されている。

なお、図１では図示されていないが、エンドプレート２１、２２それぞれの外側には、外部拘束シャフト３０ａ、３０ｂに対して圧力をかけるテンション部材が設けられている。

このような構造の燃料電池を製造する本発明の第１の実施の形態に係る製造方法について説明する。

図２（ａ）に示すように、各セパレータ１０には、その拘束すべき部位に円形状の貫通孔１１が形成されている。また、外部拘束シャフト３０（図１に示す各外部拘束シャフト３０ａ、３０ｂを総称する場合には、参照番号３０を用いる。以下、同様）は、金属製（例えば、ステンレス鋼材）の芯シャフト３１とそれを覆う例えばシリコンゴム等の弾性体で形成された弾性層３２とから構成されている。即ち、外部拘束シャフト３０は、筒状の弾性層３２に芯シャフト３１が嵌入した構造となっている。外部拘束シャフト３０の外径は、セパレータ１０に形成された貫通孔１１の内径より小さく設定されている。

前述したような外部拘束シャフト３０を用い、外部拘束シャフト３０が貫通孔１１に遊嵌する状態、詳細には、図２（ａ）に示すように、外部拘束シャフト３０と貫通孔１１との間の拘束すべき所定方向Ａ（ブロック矢印参照）に第１の隙間Δ１が形成される状態で、貫通孔１１に外部拘束シャフト３０を通してセパレータ１０が積層される（第１工程）。このようにして積層された複数のセパレータ１０が調整ネジ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（締結）される。その際に、エンドプレート２１、２２の間に配置された外部拘束シャフト３０の弾性層３２がエンドプレート２１、２２によってセパレータ１０の積層方向に圧縮される（第２工程）。

この弾性層３２の圧縮により、弾性層３２の太さが増大し、弾性層３２と各セパレータ１０の貫通孔１１との間の隙間が小さくなり、セパレータ１０の拘束すべき方向Ａにおける隙間が前述した第１の隙間Δ１から該第１の隙間Δ１より小さい第２の隙間Δ２に変わる。この第２の隙間Δ２は、例えば、０．１mm程度になるように、弾性層の硬さ等が設定される。これにより、エンドプレート２１、２２の間で積層される各セパレータ１０は、外部拘束シャフト３０によって前記方向Ａの動きが拘束される。

前述したような本発明の第１の実施の形態によれば、各セパレータ１０を積層する際には、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間には少なくともその拘束すべき方向Ａにおいて第１の隙間Δ１となる比較的大きい隙間が形成されるので、貫通孔１１に外部拘束シャフト３０を通して各セパレータ１０を積層する作業を容易に行なえるようになる。また、各セパレータ１０がエンドプレート２１、２２の間で締結される際に、外部拘束シャフト３０の弾性層３２が圧縮されてその太さが増し、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間の隙間は、拘束すべき方向Ａにおいて前記第１の隙間Δ１より非常に小さい第２の隙間Δ２となるので、各セパレータ１０はその方向Ａにおいて確実に拘束されるようになる。

また、弾性層３２がシリコンゴム等の絶縁体で形成されているので、芯シャフト３１がステンレス鋼材等の金属製であっても、金属製のセパレータ１０との絶縁を確保することができる。即ち、剛性の高い金属製の芯シャフト３１を用いてセパレータ１０との絶縁が確保された外部拘束シャフト３０を実現することができる。

なお、積層されたセパレータ１０を締結する際、特に、スプリングボックス２３に近い位置にあるセパレータ１０は外部拘束シャフト３０の軸方向に僅かに移動する。この移動の妨げにならないように、前述した第２の隙間Δ２が僅かな値（例えば、０．１mm程度）に設定される。しかし、例えば、その移動量が僅かであって締結力に対してその摩擦力が僅かである場合には、前記第２の隙間Δ２は、ゼロであってもよい。

前述したような構造（図１参照）の燃料電池を製造する本発明の第２の実施の形態に係る製造方法について説明する。

この第２の実施の形態では、図３（ａ）に示すように、各セパレータ１０には、その拘束すべき部位に楕円形状の貫通孔１１ａ、１１ｂが形成されている。また、外部拘束シャフト３０は、例えば、硬質樹脂等で形成され、その軸心に垂直な方向の断面が楕円形状となっている。それぞれ楕円形状となる貫通孔１１（貫通孔１１ａ、１１ｂを総称する場合には、参照番号１１が用いられる）と外部拘束シャフト３０の断面との相対関係は、図３（ｂ）に示すようになっている。即ち、貫通孔１１は、長軸側径Ｒ1a及び短軸側径Ｒ1bとなる楕円形状となり、外部拘束シャフト３０の断面は、長軸側径Ｒ2a及び短軸側径Ｒ2bとなる楕円形状となり、外部拘束シャフト３０の断面の長軸側径Ｒ2aは、貫通孔１１の短軸側径Ｒ1bより小さく設定されている（Ｒ2a＜Ｒ1b）。また、貫通孔１１は、その短軸方向がセパレータ１０を拘束すべき方向Ａに合致するように形成されている（図３（ａ）参照）。

前述したようなセパレータ１０及び前述したような断面形状となる外部拘束シャフト３０を用いて次のようにして燃料電池が製造される。

外部拘束シャフト３０の短軸方向と貫通孔１１の短軸方向とが揃うようにして、貫通孔１１を外部拘束シャフト３０に通してセパレータ１０が積層される（第１工程）。この場合、図３（ａ）に示す貫通孔１１ａ側のように、外部拘束シャフト３０と貫通孔１１ａとの間の拘束すべき方向Ａ（ブロック矢印参照）に、外部拘束シャフト３０の短軸側径Ｒ2bと貫通孔１１ａの短軸側径Ｒ1bとの差に基づいた第１の隙間Δ１が形成された状態となっている。その後、エンドプレート２１、２２の間に配置される外部拘束シャフト３０を９０°回動させる（第２工程）。すると、図３（ａ）に示す貫通孔１１ｂ側のように、外部拘束シャフト３０と貫通孔１１ｂとの間の拘束すべき方向Ａに、外部拘束シャフト３０の長軸側径Ｒ2bと貫通孔１１ｂの短軸側径Ｒ1bとの差に基づいた第２の隙間Δ２が形成された状態となる。第２の隙間Δ２は、図３（ｂ）に示すように、第２の隙間Δ１より小さくなる。

なお、貫通孔１１に外部拘束シャフト３０を通す作業を妨げない程度となる前記第１の隙間Δ１が形成され、かつ、セパレータ１０の充分な拘束ができるような前記第２の隙間Δ２（例えば、０．１mm程度）が形成されるように、貫通孔１１及び外部拘束シャフト３０それぞれの楕円形状が設定される。

前述したように外部拘束シャフト３０が９０°回動され、外部拘束シャフト３０によって積層された各セパレータ３０が前記方向Ａにおいて拘束された後に、その積層されたセパレータ１０がエンドプレート２１、２２の間で締め付け固定（締結）される。

本発明の第２の実施の形態によれば、各セパレータ１０を積層する際には、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間にはその拘束すべき方向Ａにおいて第１の隙間Δ１となる比較的大きい隙間が形成されるので、貫通孔１１に外部拘束シャフト３０を通して各セパレータ１０を積層する作業を容易に行なえるようになる。また、外部拘束シャフト３０を９０°回動させて、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間の隙間が、拘束すべき方向Ａにおいて前記第１の隙間より非常に小さい第２の隙間Δ２となるので、各セパレータ１０はその方向Ａにおいて確実に拘束されるようになる。

前述したような構造（図１参照）の燃料電池を製造する本発明の第３の実施の形態に係る製造方法について説明する。

この第３の実施の形態では、図４及び図５に示すように、各セパレータ１０には、その拘束すべき部位に楕円形状の貫通孔１１が形成されている。また、外部拘束シャフト３０は、例えば、硬質樹脂等で形成され、図５に示すように、軸心Ｌｃ１が一致する回転中心軸部３３、３４と、回転中心軸部３３、３４に挟まれるように形成された湾曲軸部３５（円柱形状）とを有した構造となっている。湾曲軸部３５の軸心Ｌｃ２は、回転中心軸部３３、３４の軸心Ｌｃ１から偏心しており、前述した楕円形状の短軸側径と長軸側径との関係と同様に、軸心Ｌｃ１に垂直な所定方向の幅（長さ）が他の方向の幅（長さ）より大きくなっている。また、各セパレータ１０に形成される貫通孔１１は、回転中心軸部３３、３４を中心にして外部拘束シャフト３０を回転させた際の湾曲軸部３５の外周面の移動軌跡内領域Ｅｃ（図４及び図５における二点鎖線参照）より広いものとなっている。また、貫通孔１１は、その短軸方向がセパレータ１０を拘束すべき方向Ａに合致するように形成されている。

前述したようなセパレータ１０及び前述したような形状となる外部拘束シャフト３０を用いて次のようにして燃料電池が製造される。

エンドプレート２１の回動孔２１ａに一方の回転中心軸部３３が嵌め込まれた外部拘束シャフト３０が、図４に示すように、その湾曲軸部３５の外周面が貫通孔１１の長軸方向に向くようにセットされる。この状態で、貫通孔１１を外部拘束シャフト３０に通してセパレータ１０が積層される（第１工程）。この場合、外部拘束シャフト３０の湾曲軸部３５が形成された方向がセパレータ１０を拘束する方向Ａ（ブロック矢印参照）に一致していないので、少なくとも外部拘束シャフト３０と貫通孔１１との間の前記拘束すべき方向Ａに比較的大きい第１の隙間Δ１が形成された状態となる。また、この場合、貫通孔１１が外部拘束シャフト３０を回転させた際の湾曲軸部３５の外周面の移動軌跡内領域Ｅｃより広いものとなっていることから、外部拘束シャフト３０の周囲に形成される貫通孔１１との間の隙間は更に大きいものとなる。

このようにして複数のセパレータ１０が積層された後に、図５に示すように、他方の回転中心軸部３４がエンドプレート２２の回動孔２２ａにはめ込まれ、外部拘束シャフト３０が、湾曲軸部２５の外周面が貫通孔１１の短軸方向に向くように９０°回動される（第２工程）。すると、外部拘束シャフト３０の湾曲軸部３５が形成された方向がセパレータ１０を拘束する方向Ａに一致し、外部拘束シャフト３０と貫通孔１１との間の前記拘束すべき方向Ａに前記第１の隙間Δ１より小さい第２の隙間Δ２（例えば、０．１mm）が形成される。

その後、積層された複数のセパレータ１０がエンドプレート２１、２２の間で締め付け固定（締結）される。

前述したような本発明の第３の実施の形態によれば、各セパレータ１０を積層する際には、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間には少なくともその拘束すべき方向Ａにおいて第１の隙間Δ１となる比較的大きい隙間が形成されるので、貫通孔１１に外部拘束シャフト３０を通して各セパレータ１０を積層する作業を容易に行なえるようになる。また、外部拘束シャフト３０を９０°回動させて、貫通孔１１と外部拘束シャフト３０との間の隙間が、拘束すべき方向Ａにおいて前記第１の隙間Δ１より非常に小さい第２の隙間Δ２となるので、各セパレータ１０はその方向Ａにおいて確実に拘束されるようになる。

なお、前述した各実施の形態では、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多セルモジュールであってもよい。更に、図６に示すように、複数のセパレータ１０（多セルモジュール）の間に発電に関与しない端部セル１５（リセット板）が挟み込まれた構造の燃料電池（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、各端部セル１５に前述したような貫通孔１１が形成され、この貫通孔１１に前述したような外部拘束シャフト３０ａ、３０ｂを通すことにより、その外部拘束シャフト３０ａ、３０ｂによって端部セル１５の拘束がなされるようになる。

以上、説明したように、本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、燃料電池構成部材の組付け作業をよりし易くできると共に、燃料電池構成部材をより確実に拘束することができるというような効果を有し、単セル等の燃料電池構成部材にシャフトを貫通させて所定の方向に対して拘束した状態で当該燃料電池構成部材を複数積層及び締結した構造となる燃料電池の製造方法にとして有用である。

燃料電池（スタック）の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の製造方法における第１工程を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の製造方法における第２工程を示す図である。 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）
１１（１１ａ、１１ｂ） 貫通孔
１５ 端部セル
２１、２２ エンドプレート
２１ａ、２２ａ 回動孔
２３ スプリングボックス
２４ 荷重調整ネジ
３０（３０ａ、３０ｂ）外部拘束シャフト
３１ 芯シャフト
３２ 弾性層
３３、３４ 回転中心軸部
３５ 湾曲軸部

Claims (4)

1. 所定位置に貫通孔の形成された燃料電池構成部材の当該貫通孔にシャフトを通して当該燃料電池構成部材を複数積層し、当該複数の燃料電池構成部材を前記シャフトによって所定方向に拘束した状態でその積層方向に締結して燃料電池を製造する方法であって、
   所定操作によって、前記拘束すべき所定方向における幅が可変となるシャフトを用い、
   前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に第１の隙間が形成される状態で、前記貫通孔に前記シャフトを通して前記燃料電池構成部材を積層する第１工程と、
   前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に前記第１の隙間より小さい第２隙間が形成されるように前記シャフトに対する所定操作を行なう第２工程とを有する燃料電池の製造方法。
2. 前記シャフトは、芯シャフトと該芯シャフトの表面を覆う弾性層とを有し、
   前記第２工程は、前記弾性層を、前記燃料電池構成部材の積層方向に圧縮する操作を行なって、前記弾性層と前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向における隙間を前記第１の隙間から前記第２の隙間に変える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. 前記シャフトの弾性層は、絶縁体にて形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記シャフトは、軸心に垂直な所定方向の幅が他の方向の幅より大きくなる前記軸心に垂直な断面形状を有し、
   前記第１工程は、前記シャフトの幅の大きくなる前記方向と前記拘束すべき所定方向とを一致させない状態で当該シャフトをセットして、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に第１の隙間が形成されるようにし、
   前記第２工程は、前記シャフトを回動させて前記幅の大きくなる前記方向と前記拘束すべき所定方向を一致させた状態にして、前記シャフトと前記貫通孔との間の前記拘束すべき所定方向に前記第２の隙間が形成されるように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。
   
   

Images