JP2006339118A - 燃料電池スタックの組立装置 - Google Patents

Abstract

【課題】公差やバリの影響によらず、適正に位置合わせしながら、端板、集電板、絶縁板、セパレータ、ＭＥＡなどの構成部品を組み立てる。
【解決手段】互いに対向しない２辺２０ａ、２０ｂ上に位置決め基準個所を持つ板状の構成部品２０を所定の順番で積層することにより燃料電池スタックを組み立てるための組立装置であって、構成部品２０を順次載置・積層していくための載置ベース１８と、構成部品２０の積層位置を決めるために載置ベース１８上に前記位置決め基準個所に対応して立設された３本のガイド柱１７とを有し、３本のガイド柱１７は、構成部品２０の互いに対向しない２辺２０ａ、２０ｂに対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池自動車用等で使用される燃料電池スタックを組み立てるための燃料電池スタックの組立装置に関するものである。

燃料電池セルを積層する際に、各構成部品間の面圧分布の偏りを防ぐなどの目的で、特許文献１に記載のように、少なくとも１組の相対向するガイド柱により位置合わせを行いながら構成部品を積層するというものがある。
特開２００３−８６２３２号公報

ところで、燃料電池の構成部品の基準辺は、公差を厳しく要求することにより、位置決め機能を持たせているが、公差を厳しくするには限界値が存在する。また、基準辺の端面には細かいバリがあり、このバリについても完全に除去することは不可能である。従って、位置合わせ基準辺であっても、公差とバリの影響により、寸法の微少変化が存在する。

特許文献１に記載の技術のように、少なくとも１組の相対向するガイド柱により位置合わせを行いながら積層する方法では、公差やバリの影響による寸法の微少変化を考慮してマージン（余裕）を持たせ、相対向するガイド柱とガイド柱の間の距離を設計しなければならない。このマージンを持たせなければ、公差やバリの影響による寸法の微少変化により、ガイド柱とガイド柱の間の寸法よりも構成部品の寸法が大きくなった場合に、構成部品を組み立て装置に搭載させることができなくなるからである。

しかし、このマージンの影響により、相対向させたガイド柱とガイド柱の間に構成部品を搭載させた状態で、構成部品とガイド柱との間にガタが存在する状態であり、真の意味での位置合わせ機能をもっていない、という問題があった。

また、ガイド柱の幅が小さ過ぎると、公差とバリの影響による寸法の微小変化の最大値と最小値がガイド柱との接触部（位置決め部）にきた場合、ずれ量を大きく広げる方向に位置合わせしてしまうという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮し、公差やバリの影響によらず、適正に位置合わせしながら、端板、集電板、絶縁板、セパレータ、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）などの構成部品を組み立てることのできる燃料電池スタックの組立装置を提供することを目的とする。

本発明は、互いに対向しない２辺上に位置決め基準個所を持つ板状の構成部品を所定の順番で積層することにより燃料電池スタックを組み立てるための組立装置であって、前記構成部品を順次載置・積層していくための載置ベースと、前記構成部品の積層位置を決めるために前記載置ベース上に前記位置決め基準個所に対応して立設された３本のガイド柱とを有し、前記３本のガイド柱は、前記構成部品の互いに対向しない２辺に対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池スタックの組立装置によれば、燃料電池スタックの構成部品の互いに対向しない２辺上に位置決め基準個所を設定し、それらの位置決め基準個所をガイド柱で位置決めしながら構成部品を積層するようにしており、ガイド柱を構成部品を挟んで対向する位置に配していないため、部品公差やバリの影響による寸法の微少変化量を考慮したマージンを持たせないでも、適正に位置決めしながら構成部品を積層して燃料電池スタックを組み立てることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの概略構成」
まず、本発明の組立装置で組み立てる燃料電池スタックの概略構成について先に説明する。

図１は燃料電池スタックの構造を示す斜視図、図２はそのセルの具体的構成を示す分解斜視図、図３は燃料電池スタックの全体構成を示す側面図である。この燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、たとえば燃料電池自動車に搭載されるものである。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

燃料電池スタック１は、起電力を生じる単位電池としてのセル２を、所定数だけ積層した積層電池の形態で形成されている。積層されたセル２は、燃料電池スタック１内部を貫通するタイロッド３（図３参照）により締結されている。セル２は、それぞれ単体で固体高分子型燃料電池として形成されており、各セル２が１Ｖ程度の起電圧を生じる。

図２に示すように、セル２は、反応促進のために触媒層が成形されたイオン透過膜（高分子電解質膜）４、このイオン透過膜４の一面に配置されたガス拡散層・撥水層からなるアノード側多孔質体電極部５（燃料極）、およびイオン透過膜４の他面に配置されたガス拡散層・撥水層からなるカソード側多孔質体電極部６（空気極）からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）７と、アノード側多孔質体電極部５に燃料ガス（水素）を供給するための流体通路８を形成するアノード側セパレータ９と、カソード側多孔質体電極部６に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路１０を形成するカソード側セパレータ１１と、をシール材１２を介して積層した構造を有している。

イオン透過膜４は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラックからなる。

多孔質体電極部５、６は、ガス拡散電極であり、ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成されている。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、イオン透過膜４に形成するとは限らず、ガス拡散電極の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合もある。

アノード側セパレータ９およびカソード側セパレータ１１は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成されている。例えば、カーボン材料をプレス成形することや、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料によって形成することとしてもよい。

アノード側セパレータ９とアノード側多孔質体電極部５との間には燃料ガス流路８が、カソード側セパレータ１１とカソード側多孔質体電極部６との間には酸化剤ガス流路１０が形成されており、アノード側セパレータ９およびカソード側セパレータ１１のうち少なくとも片方に冷却媒体流路１３が形成されている。

シール材１２は、例えばゴム製の圧縮ガスケットや接着型の液状ガスケット等、流体漏れを防止し燃料電池に悪影響を及ぼさぬものであればどのようなものでもかまわない。シール材１２は、アノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１１、あるいは、弾性係数の大きい薄板材料等に一体化されていても構わない。弾性係数の大きい薄板材料は、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような材料で形成されており、イオン透過膜４に、例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着される。

燃料電池スタック１は、図３に示すように、前述のセル２を多数積層し、セル積層方向（燃料電池積層方向）の両端に、集電板１４およびエンドプレート１６を配置し、その状態で、セル積層体の貫通孔にタイロッド３を挿通し、タイロッド３の端部にナットを螺合して、セル積層方向に締め付けることにより構成されている。

タイロッド３は、剛性を備えた材料、例えばステンレス鋼等の金属材料によって形成され、セル２同士の電気的短絡を防止するため、タイロッド３の表面には絶縁処理が施されている。締結方法としては、必ずしもタイロッド３を燃料電池スタック１の内部に貫通させる形式とする必要はなく、燃料電池スタック１の外部でエンドプレート１６同士を締め付ける形式としてもよい。

集電板１４は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。エンドプレート１６は、剛性を備え且つ絶縁性に優れた材料、例えば樹脂材料によって形成されている。また、２枚の集電板１４には、それぞれ出力端子１５が設けられており、燃料電池スタック１で生じた起電力を、出力端子１５から出力できるようになっている。

このように、多孔質体電極部５、６とセパレータ９、１１との間の接触抵抗を低減させる目的で、構成部品を所定数積層後に、タイロッド３で締め付けて、積層方向に荷重を付与している。

ところで、この荷重の付与により、多孔質体電極部５、６とセパレータ９、１１の間に面圧が発生する訳であるが、位置合わせを行わずに積層した場合、面圧の不均一を発生し、燃料電池スタック（積層体）１の発電性能の低下を招いてしまう。

また、構成部品に燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水を配流するためのマニホールド（図１には、燃料ガス入口１０１、酸化剤ガス入口１１１、冷却水入口１２１、燃料ガス出口１０２、酸化剤ガス出口１１２、冷却水出口１２２のみを図示）が、燃料電池スタックの積層方向に一直線に貫通して設けられるが、位置合わせしながら構成部品を積層しなければ、積層方向に一直線に貫通するマニホールド穴径の投影断面積が減少し、構成部品間において流体配流にばらつきが発生し、燃料電池スタック１の発電性能の低下を招いてしまう。

一般的な燃料電池においては、電気エネルギが生成される触媒部は、イオン透過膜４の平面上の略中央部位に存在しており、触媒部の対向面に多孔質体電極部５、６が搭載され、触媒部と多孔質体電極部５、６との接触面の反対面にセパレータ９、１１が搭載される。また、マニホールドは、構成部品の平面上の略端部位に存在している。

また、構成部品の設計により、構成部品の中央部の位置合わせを重視することにより、より発電性能が向上する燃料電池スタックもあれば、構成部品の端部の位置合わせを重視することにより、より発電性能が向上する燃料電池スタックもある。

「燃料電池スタックの組立装置の説明」
次に、上述した燃料電池スタック１を組み立てるための本実施の形態の組立装置について説明する。

「第１実施形態」
図４は第１実施形態の組立装置の構成を示す。

この組立装置で組み立ての対象とする燃料電池構成部品２０は、例えば、長方形の互いに対向しない２辺上に位置決め基準個所を設定した部品（アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、イオン透過膜、集電板、エンドプレートをはじめとする燃料電池構成部品）である。つまり、図に示すように、長方形の構成部品２０の互いに対向する２辺２０ａ、２０ａ（２０ｂ、２０ｂ）ではなく、隣接する長辺と短辺の２辺２０ａ、２０ｂを位置決め基準辺として設定し、その基準辺２０ａ、２０ｂを位置決めしながら所定の順番で積層することにより、燃料電池スタック１を組み立てることができるものである。

組立装置は、構成部品２０を順次載置・積層していくための平坦な上面を有する載置ベース１８と、構成部品２０の積層位置を決めるために載置ベース１８上に前記位置決め基準個所に対応して垂直に立設された３本の角柱状のガイド柱１７とからなる。３本のガイド柱１７は、構成部品２０の互いに対向しない２辺２０ａ、２０ｂに対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されており、本組立装置では、長辺２０ａに対応する位置に２本、短辺２０ｂに対応する位置に１本が設けられている。ガイド柱１７の本数は、３本より多くても幾何学的に無意味であることから、最小の３本としている。

ガイド柱１７のガイド面（構成部品２０の位置決め基準個所が当接する面）の幅は、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定されている。ガイド柱１７のガイド面の幅については、５ｍｍ未満であれば、構成部品２０の端部のバリの影響を受けやすく、５０ｍｍ以上であれば、ガイド柱１７の位置合わせを行う面の加工精度が低下、もしくは精密加工は可能であるがコストが大きくなるという問題があるので、それに鑑みて５〜５０ｍｍの範囲に設定している。５０ｍｍ以上の幅を高精度に加工するのは得策とは言えない。

本組立装置で組み立てる場合は、図５に示すように、構成部品２０の基準辺２０ａ、２０ｂを、３本のガイド柱１７のガイド面に当接させて位置決めしながら、構成部品２０を載置ベース１８上に所定の順番で積層していく。

この場合、ガイド柱１７を構成部品２０を挟んで対向する位置に配していないため、部品公差やバリの影響による寸法の微少変化量を考慮したマージンを持たせないでも、適正に位置決めしながら構成部品２０を積層して燃料電池スタックを組み立てることができる。

「第２実施形態」
図６は第２実施形態の組立装置の構成を示す。

前記第１実施形態の組立装置においては、構成部品２０の基準辺として構成された長辺２０ａに対応する位置に２本のガイド柱１７を立設し、基準辺として構成された短辺２０ｂに対応する位置に１本のガイド柱１７を立設した場合を説明したが、この第２実施形態の組立装置では、基準辺として構成された短辺２０ｂに対応する位置に２本のガイド柱１７を立設し、基準辺として構成された長辺２０ａに対応する位置に１本のガイド柱１７を立設している。他の点は先の実施形態と同じである。この実施形態の組立装置は、レイアウト等の都合による特異例として提供されるものであり、第１実施形態と全く同様の作用効果を奏する。

「第３実施形態」
図７は第３実施形態の組立装置の構成を示す。

この組立装置では、各ガイド柱１７の下端にピン１９を設け、これらのピン１９を、載置ベース１８に形成した差込孔１８ａに差し込むことで、ガイド柱１７を立設するようにしている。この場合、差込孔１８ａは、ピン１９を自由に抜き差しできるものであり、選択的にピン１９を抜き差しできように、多数個が、構成部品２０の基準辺（長辺２０ａおよび短辺２０ｂ）に対応する直線に沿ってそれぞれ一列に配列されている。

従って、いずれの孔１８ａを選択してピン１９を差し込むかによって、ガイド柱１７の立設位置を変えることができ、組み立て対象となる構成部品２０の種類や寸法等に応じて、任意にガイド柱１７の位置を選択できる。

なお、前述したが、構成部品２０の設計により、構成部品２０の中央部の位置合わせを重視することにより、より発電性能が向上する燃料電池スタックもあれば、構成部品２０の端部の位置合わせを重視することにより、より発電性能が向上する燃料電池スタックもあるため、燃料電池に対応させ、位置決め箇所を選択することができる。

「第４実施形態」
図８は第４実施形態の組立装置の構成を示す。

この組立装置では、各ガイド柱１７の下端を、載置ベース１８に形成したスライド溝１８ｂに差し込むことにより、ガイド柱１７を立設するようにしている。スライド溝１８ｂは、構成部品２０の基準辺（長辺２０ａおよび短辺２０ｂ）に対応する直線に沿ってそれぞれ形成されており、スライド溝１８ｂのどこに位置決めするかによって、ガイド柱１７の立設位置を変えることができるようになっている。従って、組み立て対象となる構成部品２０の種類や寸法等に応じて、任意にガイド柱１７の位置を選択できる。

なお、図７、図８の例では、全部のガイド柱１７の位置を自由に変えられるようにしているが、どれか１本のガイド柱１７の位置を変えられるようにしてあるだけでもよい。

また、図９に示すように、例えば、ガイド面の幅をＨ１、Ｈ２、Ｈ３と異ならせた複数のガイド柱１７Ａ〜１７Ｃを用意しておき、燃料電池構成部品２０の寸法に応じて、最適なガイド面の幅を有するガイド柱１７Ａ〜１７Ｃを選んで取り付けることもできる。

「第５実施形態」
図１０は第５実施形態の組立装置の構成を示す斜視図、図１１はそれを用いて組み立てる操作の説明図である。

この組立装置２１は、図１０及び図１１に示すように、互いに対向しない２辺２０ａ、２０ｂ上に位置決め基準個所を持つ板状の構成部品２０を２枚重ね合わせることで燃料電池スタックを組み立てるための組立装置であり、各１枚の構成部品２０をそれぞれ載置する一対の載置ベースＡ、Ｂと、構成部品２０の位置を決めるために各載置ベースＡ、Ｂ上に位置決め基準個所に対応して立設された３本のガイド柱１７と、２枚の構成部品２０を適正に重ね合わせるために載置ベースＡ、Ｂを対向させた際に両載置ベースＡ、Ｂ同士を互いに位置決めする載置ベース位置決め手段と、載置ベースＡ、Ｂに付設され真空吸引力により構成部品２０を載置ベースＡ、Ｂ上に保持するための真空吸引手段と、を有する。

載置ベース位置決め手段は、一方の載置ベースＡに立設された位置決めピン２２と、他方の載置ベースＢに設けられ前記位置決めピン２２の嵌まる位置決め孔２３と、からなる。また、真空吸引手段は、図示しない真空ポンプＰと、載置ベースＡ、Ｂ上に設けられた凹空間２４と、該凹空間２４と真空ポンプＰを繋ぐ吸引管２８と、からなる。

前記各載置ベースＡ、Ｂ上の３本のガイド柱１７は、構成部品２０の互いに対向しない２辺２０ａ、２０ｂに対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されており、本組立装置では、長辺２０ａに対応する位置に２本、短辺２０ｂに対応する位置に１本が設けられている。ガイド柱１７の本数は、３本より多くても幾何学的に無意味であることから、最小の３本としている。

ガイド柱１７のガイド面（構成部品２０の位置決め基準個所が当接する面）の幅は、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定されている。ガイド柱１７のガイド面の幅については、５ｍｍ未満であれば、構成部品２０の端部のバリの影響を受けやすく、５０ｍｍ以上であれば、ガイド柱１７の位置合わせを行う面の加工精度が低下、もしくは精密加工は可能であるがコストが大きくなるという問題があるので、それに鑑みて５〜５０ｍｍの範囲に設定している。５０ｍｍ以上の幅を高精度に加工するのは得策とは言えない。

前記真空吸引手段は、凹空間２４を負圧にすることにより、載置した構成部品２０を載置ベースＡ、Ｂ上に吸引拘束し、その状態で、例えば、片方の載置ベースＡ、Ｂを反転させた際に脱落しないようにするために設けている。また、組み立てる際の構成部品２０の反りやうねりを除去するのにも、吸引拘束作用が利用できる。

また、前記ガイド柱１７の高さは、載置ベースＡ、Ｂ上にて組み立てを行う構成部品２０の厚み（高さ）よりも低く設計してあり、載置ベースＡ、Ｂを対向させて構成部品２０同士を張り合わせるときに、ガイド柱１７同士が干渉するのを避けている。

本組立装置で組み立てる場合は、図１１（ａ）に示すように、構成部品２０の基準辺２０ａ、２０ｂを、３本のガイド柱１７のガイド面に当接させて位置決めしながら、構成部品２０をそれぞれの載置ベースＡ、Ｂ上に搭載する。その際、真空引きにより、構成部品２０を吸引拘束する。

この場合、ガイド柱１７を構成部品２０を挟んで対向する位置に配していないため、部品公差やバリの影響による寸法の微少変化量を考慮したマージンを持たせないでも、適正に位置決めしながら構成部品２０を搭載することができる。

両載置ベースＡ、Ｂ上に搭載した構成部品２０を張り合わせるには、一方の載置ベースＡの上に他方の載置ベースＢを反転させながら重ねていく。その際、位置決めピン２２を位置決め孔２３に嵌めることで、両載置ベースＡ、Ｂの位置合わせを行う。そして、両方の載置ベースＡ、Ｂを対向させて重ねることで、構成部品２０、２０を重ね合わせる。

以上の手順を踏むことによって、簡単に且つ精度よく燃料電池スタックを組み立てることができる。

本発明の組立装置の組み立て対象の一例として示す燃料電池スタックの斜視図である。 燃料電池スタックの構成要素であるセルの具体的構成を示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの全体構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態の組立装置の構成を示す斜視図である。 同組立装置で組み立てている様子を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の組立装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態の組立装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態の組立装置の構成を示す斜視図である。 ガイド面の幅を違えたガイド柱の斜視図である。 本発明の第５実施形態の組立装置の構成を示す斜視図である。 同組立装置を用いて組み立てる場合の工程説明図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１７…ガイド柱
１８…載置ベース
２０…構成部品
２０ａ…長辺（基準辺、位置決め基準個所）
２０ｂ…短辺（基準辺、位置決め基準個所）
２１…組立装置
Ａ，Ｂ…載置ベース
２２…位置決めピン（載置ベース位置決め手段）
２３…位置決め孔（載置ベース位置決め手段）
２４…凹空間（真空吸引手段）
２８…吸引管（真空吸引手段）
Ｐ…真空ポンプ（真空吸引手段）

Claims (8)

1. 互いに対向しない２辺上に位置決め基準個所を持つ板状の構成部品を所定の順番で積層することにより燃料電池スタックを組み立てるための組立装置であって、
   前記構成部品を順次載置・積層していくための載置ベースと、
   前記構成部品の積層位置を決めるために前記載置ベース上に前記位置決め基準個所に対応して立設された３本のガイド柱とを有し、
   前記３本のガイド柱は、前記構成部品の互いに対向しない２辺に対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記３本のガイド柱のうちの少なくとも１本が、前記２辺に対応する直線に沿って移動可能に配設されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記ガイド柱の幅が、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
4. 互いに対向しない２辺上に位置決め基準個所を持つ板状の構成部品を２枚重ね合わせることで燃料電池スタックを組み立てるための組立装置であって、
   前記各１枚の構成部品をそれぞれ載置する一対の載置ベースと、
   前記構成部品の位置を決めるために前記各載置ベース上に前記位置決め基準個所に対応して立設された３本のガイド柱と、
   前記２枚の構成部品を適正に重ね合わせるために前記一対の載置ベースを対向させた際に両載置ベース同士を位置決めする載置ベース位置決め手段と、を有し、
   前記各載置ベース上の３本のガイド柱は、前記構成部品の互いに対向しない２辺に対応する位置に少なくとも１本ずつ配設されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記各載置ベース上の３本のガイド柱は、前記載置ベース上に構成部品を載置した際の構成部品の高さよりも低く設定されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
6. 請求項４または５に記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記各載置ベース上の３本のガイド柱のうちの少なくとも１本が、前記２辺に対応する直線に沿って移動可能に配設されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
7. 少なくとも請求項４〜６の何れか一つに記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記一対の載置ベースの少なくとも一方に、真空吸引力により前記構成部品を載置ベース上に保持する吸引手段が付設されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。
8. 少なくとも請求項４〜７の何れか一つに記載の燃料電池スタックの組立装置であって、
   前記ガイド柱の幅が、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックの組立装置。

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