JP2006286546A - 燃料電池スタックの組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール部同士の相対位置の精度およびマニホールド部同士の相対位置の精度を高め得る、燃料電池スタックの組み立て方法を提供する。
【解決手段】 まず、ガスを通過させるマニホールド部３１が貫通して形成された導電性のセパレータ３０を、マニホールド部を基準に複数枚積層してセパレータ群４０を形成する。次いで、セパレータ群の外側面４０ａを切削することによって、マニホールド部に対する位置が定まった基準面３３、３４を個々のセパレータに形成する。次いで、セパレータ群の積層状態を解除して個々のセパレータに分解し、基準面を基準に個々のセパレータにシール部を形成する。その後、基準面を基準に個々のセパレータを積層して、燃料電池スタックを組み立てる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの組み立て方法に関する。

燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を加圧し、コンプレッションが掛かった状態で当該積層体を締め付け保持している。燃料電池セルは、例えば、触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガスを供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料電池スタックを組み立てる際には、セパレータにＯリングを配置したりシール材を塗布したりして、ガスや冷却水の漏れを防止するシール部を形成する。

燃料電池スタックを組み立てるに際し、セパレータの外側面を基準として当該セパレータを位置決めする技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−８６２３２号

セパレータの外形寸法にはばらつきが存在する。このため、外側面を基準にセパレータを位置決めしてシール部を形成した場合、あるセパレータにおけるシール部が、他のセパレータにおけるシール部に対して、セパレータの積層方向に対して直交する方向つまりセパレータの面方向に沿って相対的にずれる虞がある。シール部に位置ずれが生じると、積層体を加圧して締め付けた後に、各シール部に作用する加圧力が異なり、シール性能にばらつきが生じるという不具合がある。

ガスまたは冷却水を通過させるマニホールド部を貫通して形成したタイプのセパレータがある。この種のセパレータを外側面を基準に積層した場合には、マニホールド部が相対的にずれる虞がある。マニホールド部に位置ずれが生じると、連続するマニホールド部によって形成される流路の断面が狭くなったり広くなったりするため、流動抵抗が変化する。この結果、ガス流量が燃料電池セルごとに異なり、個々の燃料電池セルの起電力にばらつきが生じるという不具合がある。

特許文献１には、シール部同士の相対位置の精度およびマニホールド部同士の相対位置の精度を高めるための技術については記載されていない。

そこで、本発明の目的は、シール部同士の相対位置の精度およびマニホールド部同士の相対位置の精度を高め得る、燃料電池スタックの組み立て方法を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、ガスを通過させるマニホールド部が貫通して形成された導電性のセパレータを、前記マニホールド部を基準に複数枚積層してセパレータ群を形成し、
前記セパレータ群の外側面を切削することによって、前記マニホールド部に対する位置が定まった基準面を個々のセパレータに形成し、
前記セパレータ群の積層状態を解除して個々のセパレータに分解し、
前記基準面を基準に個々のセパレータにシール部を形成し、
その後、前記基準面を基準に個々のセパレータを積層していく、燃料電池スタックの組み立て方法である。

本発明によれば、基準面に対するシール部の相対位置は、いずれのセパレータにおいても同じであるため、あるセパレータにおけるシール部が、他のセパレータにおけるシール部に対して、セパレータの積層方向に対して直交する方向つまりセパレータの面方向に沿って相対的にずれる虞がない。シール部に位置ずれが生じないため、積層したセパレータを加圧して締め付けた後において、各シール部に作用する加圧力は均等であり、シール性能にばらつきが生じることがない。

さらに、基準面に対するマニホールド部の相対位置は、いずれのセパレータにおいても同じであるため、マニホールド部が相対的にずれる虞がない。マニホールド部に位置ずれが生じないため、連続するマニホールド部によって形成される流路の断面積が変化せず、流動抵抗が変化することがない。この結果、個々の燃料電池セルに流れるガス流量が均一になり、個々の燃料電池セルの起電力にばらつきが生じることがない。

このように、シール部同士の相対位置の精度およびマニホールド部同士の相対位置の精度が高まり、もって、良好なシール性能を発揮するとともに個々の燃料電池セルの起電力の安定化を図り得る燃料電池スタックを組み立てることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）は、燃料電池スタック１０の一例を示す図、図１（Ｂ）は、導電性のセパレータ３０の一例を示す概略斜視図である。

図１（Ａ）を参照して、前記燃料電池スタック１０は、例えば電気自動車の動力源として使用され、複数個の燃料電池セル２０を積層した積層体１１と、積層体１１を図中上下両端から挟み込む一対のエンドプレート１２、１３と、エンドプレート１２、１３同士を接近させて積層体１１を締め付けるためのタイロッドボルト１４と、を有している。積層体１１を締め付けることによって、燃料電池セル２０におけるシール部や電極に必要な面圧を付与している。タイロッドボルト１４に代えて、スタックワイヤとも指称される線状部材によって積層体１１を締め付けるタイプの燃料電池スタックもある。図示省略するが、燃料電池スタック１０には、燃料である水素を供給するための燃料供給系、空気を供給するための空気供給系、冷却水を循環させて燃料電池スタック１０を冷却する冷却水循環系などの公知の要素が接続されている。

燃料電池セル２０は、触媒反応層を有する一対の電極により電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガス（水素）を供給する導電性セパレータ３０を配置し、他方の電極側には酸化剤ガス（空気）を供給する導電性セパレータ３０を配置して構成されている。燃料極では、水素が水素イオンと電子に解離する。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオンおよび電子が反応して水が生成し、外部に排出される。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜などイオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによってイオン伝導性電解質として機能する。

図１（Ｂ）に示すように、セパレータ３０の縁部には、ガスや冷却水を通過させるマニホールド部３１が貫通して形成されている。セパレータ３０の図中上面および下面には、微細なガス流路や冷却水流路が形成されている。燃料電池スタック１０を組み立てる際には、セパレータ３０にＯリングを配置したりシール材を塗布したりして、ガスや冷却水の漏れを防止するシール部３２が形成される。

図２〜図４を参照して、燃料電池スタック１０の組み立て手順を説明する。

図２（Ａ）は、第１の実施形態において、セパレータ群４０を形成している状態を示す図、図２（Ｂ）は、セパレータ群４０の外側面を切削している状態を示す図、図３（Ａ）は、セパレータ群４０の積層状態を解除して個々のセパレータ３０に分解している状態を示す図、図３（Ｂ）は、セパレータ３０にシール部３２を形成している状態を示す図、図４（Ａ）は、シール部３２が形成されたセパレータ３０を示す図、図４（Ｂ）は、セパレータ３０を積層している状態を示す図である。

まず、図２（Ａ）に示すように、セパレータ３０を複数枚用意する。セパレータ３０の外形寸法は、後に施される切削加工によって削落される加工代を確保した大きさに設定されている。

セパレータ３０には、黒鉛と樹脂とを含む成形材料からなるモールドセパレータや、金属材料からなる金属セパレータがあるが、本発明は、いずれのタイプのセパレータにも適用可能である。マニホールド部３１は、モールドセパレータの場合には成形型において形成され、金属セパレータの場合にはプレスによる打ち抜きによって形成される。

次に、セパレータ３０を、マニホールド部３１を基準に複数枚積層してセパレータ群４０を形成する。

第１の実施形態にあっては、セパレータ群４０を形成するに際し、マニホールド部３１に位置決めピン４１を挿入しながら複数枚のセパレータ３０を積層している。図示例では、２本の位置決めピン４１を、対角線上に位置するマニホールド部３１に挿入している。位置決めピン４１の本数や挿入位置は適宜改変できる。マニホールド部３１を位置決めのためのロケート穴として使用することにより、複数枚のセパレータ３０をマニホールド部３１を基準に簡単に積層できる。さらに、マニホールド部３１をロケート穴として代用しているため、セパレータ群４０を形成するときにのみ使用する専用のロケート穴をセパレータ３０に設ける必要がない。したがって、セパレータ３０の小型化が阻害されず、発電に実質的に寄与するアクティブエリアが小さくなることもない。形成されたセパレータ群４０は、図示しないクランプ装置によって積層状態が保持される。

次に、図２（Ｂ）および図３（Ａ）に示すように、セパレータ群４０の外側面を切削することによって、マニホールド部３１に対する位置が定まった基準面３３、３４を個々のセパレータ３０に形成する。図２（Ｂ）において、基準面３３、３４は破線によって示されている。

切削加工には、例えば、エンドミル４２が使用される。セパレータ群４０の外側面を一度に切削するため、すべてのセパレータ３０は、マニホールド部３１に対する位置が同じである基準面３３、３４を、共通して持つことになる。

後述するが、シール部形成時およびセパレータ積層時には治具５０、６０が使用される。本実施形態では、これら治具５０、６０の構造との関係において、セパレータ群４０における角部４３を挟む２つの外側面４０ａに対して切削加工を施している。したがって、セパレータ３０の基準面３３、３４は、外側面を形成する４面のうち、角部３５を挟む２面に形成される。

なお、本明細書において「切削」という用語は、研削や研摩と区別することを意図して使用したものではなく、基準面３３、３４を形成するためにセパレータ群４０の外側面４０ａに対して施される機械加工の総称として用いている。したがって、本発明には、基準面３３、３４を形成するために、研削砥石を用いてセパレータ群４０の外側面４０ａを研削加工する場合や、研摩加工する場合も含まれる。

セパレータ群４０を形成するセパレータ３０の枚数は、一の燃料電池スタック１０を構成するのに必要な枚数（例えば、１００枚）に等しいことが好ましい。一の燃料電池スタック１０に含まれるすべてのセパレータ３０に、マニホールド部３１に対する位置が同じである基準面３３、３４を共通して持たせることが簡単になるからである。但し、本発明は、一の燃料電池スタック１０を構成するのに必要な枚数よりも少ない枚数のセパレータ３０からセパレータ群４０を形成することを排除するものではない。切削加工によればマニホールド部３１に対する加工位置を精度良く定めることができるため、複数組に分けて切削加工しても、一の燃料電池スタック１０に含まれるすべてのセパレータ３０に、マニホールド部３１に対する位置が同じである基準面３３、３４を共通して持たせることができるからである。

次に、図３（Ａ）に示すように、セパレータ群４０の積層状態を解除して個々のセパレータ３０に分解する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、基準面３３、３４を基準に個々のセパレータ３０にシール部３２を形成する。

シール部形成時には、セパレータ３０は、シール部形成装置の治具５０上にクランプされる。治具５０に設けられた２つの当接面５１、５２は、角部５３を挟む２面となるようにベース面５４に対して直交して立設されている。シール部形成装置には、Ｏリングをセットしたり、シール材を塗布したりしてシール部３２を形成するための形成機５５が設けられている。形成機５５は、２つの当接面５１、５２からの距離が制御されつつ移動駆動され、２つの当接面５１、５２を基準にした所定の位置にシール部３２を形成することが可能に構成されている。治具５０の２つの当接面５１、５２にセパレータ３０の２つの基準面３３、３４を当接させることによって、当接面５１、５２から所定の位置に、すなわち、基準面３３、３４を基準にした所定の位置に、シール部３２が形成される。

すべてのセパレータ３０は、マニホールド部３１に対する位置が同じである基準面３３、３４を有する。このため、セパレータ３０をシール部形成装置にセットする際の位置再現性が向上する。したがって、基準面３３、３４を基準にセパレータ３０を位置決めしてシール部３２を形成すれば、基準面３３、３４に対するシール部３２の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じになる（図４（Ａ）参照）。シール部３２の形成が終了すると、基準面３３、３４、マニホールド部３１、およびシール部３２の３者間の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じである。

また、セパレータ３０の外周の基準面３３、３４を治具５０に突き当てるという簡易な位置決めによって、十分な位置精度を得ることができるため、シール部形成時に使用するロケート穴をセパレータ３０に設ける必要がない。

次に、図４（Ｂ）に示すように、基準面３３、３４を基準に個々のセパレータ３０を積層する。

セパレータ積層時には、セパレータ３０は、組み立て装置の治具６０上に順次積層される。治具６０に設けられた２つの当接面６１、６２は、角部６３を挟む２面となるようにベース面６４に対して直交して立設されている。組み立て装置には、図示省略するが、治具６０上において積層した積層体１１を、治具６０上において積層方向に沿って加圧する加圧手段を有している。加圧手段は、油圧などにより駆動される流体圧シリンダなどから構成される。治具６０の２つの当接面６１、６２にセパレータ３０の２つの基準面３３、３４を当接させることによって、基準面３３、３４を基準に個々のセパレータ３０が積層される。図示省略するが、電解質膜と一対の電極とを予め一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ）がセパレータ３０と交互に積層される。

すべてのセパレータ３０は、マニホールド部３１に対する位置が同じである基準面３３、３４を有する。このため、セパレータ３０を組み立て装置にセットする際の位置再現性が向上する。したがって、基準面３３、３４を基準にセパレータ３０を積層すれば、基準面３３、３４に対するマニホールド部３１の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じになる。

また、セパレータ３０の外周の基準面３３、３４を治具６０に突き当てるという簡易な位置決めによって、十分な位置精度を得ることができるため、セパレータ積層時に使用するロケート穴をセパレータ３０に設ける必要がない。

セパレータ３０および膜電極接合体を所定枚数積層した後、加圧手段によって積層体１１を積層方向に沿って加圧する。加圧状態を維持したまま、タイロッドボルト１４によってエンドプレート１２、１３同士を接近させて積層体１１を締め付ければ、燃料電池スタック１０の組み立てが完了する。

この燃料電池スタック１０にあっては、基準面３３、３４に対するシール部３２の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じであるため、あるセパレータ３０におけるシール部３２が、他のセパレータ３０におけるシール部３２に対して、セパレータ３０の積層方向に対して直交する方向つまりセパレータ３０の面方向に沿って相対的にずれる虞がない。シール部３２に位置ずれが生じないため、積層体１１を加圧して締め付けた後において、各シール部３２に作用する加圧力は均等であり、シール性能にばらつきが生じることがない。

さらに、基準面３３、３４に対するマニホールド部３１の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じであるため、マニホールド部３１が相対的にずれる虞がない。マニホールド部３１に位置ずれが生じないため、連続するマニホールド部３１によって形成される流路の断面積が変化せず、流動抵抗が変化することがない。この結果、個々の燃料電池セル２０に流れるガス流量が均一になり、個々の燃料電池セル２０の起電力にばらつきが生じることがない。

上述したように、第１の実施形態では、シール部３２同士の相対位置の精度およびマニホールド部３１同士の相対位置の精度が高まり、もって、良好なシール性能を発揮するとともに個々の燃料電池セル２０の起電力の安定化を図り得る燃料電池スタック１０を組み立てることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態において、セパレータ群４０を形成している状態を示す図である。

第２の実施形態は、セパレータ３０をマニホールド部３１を基準に複数枚積層してセパレータ群４０を形成する手法を改変した点で、第１の実施形態と相違する。

第２の実施形態にあっては、セパレータ群４０を形成するに際し、マニホールド部３１に設けた位置決めマーク７０を画像読取部材７１によって読み取り、位置決めマーク７０を合わせながら複数枚のセパレータ３０を積層している。図示例では、２つの位置決めマーク７０を、対角線上に位置するマニホールド部３１の周囲に形成している。位置決めマーク７０の個数や形成位置は適宜改変できる。

位置決めマーク７０は、図示例では十字形状を有し、微小溝あるいは印字によってマニホールド部３１の周囲に形成されている。モールドセパレータの場合には、位置決めマーク７０は、成形型によって加圧成形する際に同時に形成される。金属セパレータの場合には、位置決めマーク７０は、プレスによる打ち抜きの際の目印としても使用するために予め印刷されている。画像読取部材７１は、ＣＣＤカメラなどから構成されている。画像読取部材７１はコントローラ７２に接続されている。コントローラ７２は、画像読取部材７１によって読み取った画像データが入力される。積層対象のセパレータ３０は、移動自在なロボットハンド７３に把持されている。コントローラ７２は、ロボットハンド７３の移動を制御し、当該ロボットハンド７３に把持されセパレータ３０の位置を調整する。

セパレータ群４０を形成する場合、積層対象のセパレータ３０をロボットハンド７３により把持する。画像読取部材７１は、セパレータ３０のマニホールド部３１に設けた位置決めマーク７０を読み取る。コントローラ７２は、入力された画像データを画像処理し、位置決めマーク７０およびその位置を識別する。コントローラ７２は、把持したセパレータ３０の位置決めマーク７０と、すでに積層されているセパレータ３０の位置決めマーク７０とが合うように、ロボットハンド７３の位置および姿勢を制御する。そして、ロボットハンド７３は、積層対象のセパレータ３０を、すでに積層されているセパレータ３０の上に積載し、把持を解除する。形成されたセパレータ群４０は、図示しないクランプ装置によって積層状態が保持される。

以後の手順は第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

第２の実施形態によっても、基準面３３、３４に対するシール部３２の相対位置および基準面３３、３４に対するマニホールド部３１の相対位置は、いずれのセパレータ３０においても同じである。シール部３２同士の相対位置の精度およびマニホールド部３１同士の相対位置の精度が高まり、もって、良好なシール性能を発揮するとともに個々の燃料電池セル２０の起電力の安定化を図り得る燃料電池スタック１０を組み立てることができる。

（その他の変形例）
セパレータ３０の角部３５を挟む２面に基準面３３、３４を設定した実施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。少なくとも１つの面が基準面に形成されていれば本発明の目的を達成することは可能である。また、シール部形成時およびセパレータ積層時に使用する治具の構造との関係において、セパレータ群４０の４つの外側面のすべてに対して切削加工を施し、セパレータ３０の４つの外側面のすべてを基準面とすることもできる。

図１（Ａ）は、燃料電池スタックの一例を示す図、図１（Ｂ）は、導電性のセパレータの一例を示す概略斜視図である。 図２（Ａ）は、第１の実施形態において、セパレータ群を形成している状態を示す図、図２（Ｂ）は、セパレータ群の外側面を切削している状態を示す図である。 図３（Ａ）は、セパレータ群の積層状態を解除して個々のセパレータに分解している状態を示す図、図３（Ｂ）は、セパレータにシール部を形成している状態を示す図である。 図４（Ａ）は、シール部が形成されたセパレータを示す図、図４（Ｂ）は、セパレータを積層している状態を示す図である。 第２の実施形態において、セパレータ群を形成している状態を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、
１１ 積層体、
１２、１３ エンドプレート、
１４ タイロッドボルト、
２０ 燃料電池セル、
３０ セパレータ、
３１ マニホールド部、
３２ シール部、
３３、３４ 基準面、
３５ セパレータの角部、
４０ セパレータ群、
４０ａ セパレータ群の外側面、
４１ 位置決めピン、
４２ エンドミル、
４３ セパレータ群の角部、
５０ シール部を形成する際に用いる治具、
５１、５２ 当接面、
６０ 積層する際に用いる治具、
６１、６２ 当接面、
７０ 位置決めマーク、
７１ 画像読取部材、
７２ コントローラ。

Claims (5)

1. ガスを通過させるマニホールド部が貫通して形成された導電性のセパレータを、前記マニホールド部を基準に複数枚積層してセパレータ群を形成し、
   前記セパレータ群の外側面を切削することによって、前記マニホールド部に対する位置が定まった基準面を個々のセパレータに形成し、
   前記セパレータ群の積層状態を解除して個々のセパレータに分解し、
   前記基準面を基準に個々のセパレータにシール部を形成し、
   その後、前記基準面を基準に個々のセパレータを積層していく、燃料電池スタックの組み立て方法。
2. 前記セパレータ群を形成する前記セパレータの枚数は、一の燃料電池スタックを構成するのに必要な枚数に等しいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの組み立て方法。
3. 前記セパレータ群を形成するに際し、前記マニホールド部に位置決めピンを挿入しながら複数枚の前記セパレータを積層することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの組み立て方法。
4. 前記セパレータ群を形成するに際し、前記マニホールド部に設けた位置決めマークを画像読取部材によって読み取り、前記位置決めマークを合わせながら複数枚の前記セパレータを積層することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの組み立て方法。
5. 前記セパレータの前記基準面は、角部を挟む２面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの組み立て方法。

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