JP2006528821A - 燃料電池スタックの製造方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、次のステップ：ａ）燃料電池スタック（１）を積み重ねること、および、ｂ）積み重ねた燃料電池スタック（１）を加熱および圧縮しながら、燃料電池スタック（１）を接合することを含む、燃料電池スタックを製造するための方法に関する。
【解決手段】本発明に従い、積み重ねた燃料電池スタックの圧縮が、積み重ねた燃料電池スタック（１）に対して少なくとも１つの調整された力成分（Ｆ）を加えることを含んでいる。

Description

本発明は、次のステップ：ａ）燃料電池スタックを積み重ねること、および、ｂ）積み重ねた燃料電池スタックを加熱および圧縮しながら、燃料電池スタックを接合することを含む、燃料電池スタックを製造するための方法に関する。

本発明は更に、積み重ねた燃料電池スタックを加熱するための加熱装置と、積み重ねた燃料電池スタックを圧縮するための装置とを備えた、燃料電池スタックを製造するための装置、特に本発明による方法を実施するための装置に関する。

例えば公知のＳＯＦＣ燃料電池スタック（ＳＯＦＣ＝固体酸化物形燃料電池）は一般的に、それぞれ間に配置されたシールを有する複数の燃料電池要素と、１対の端板と、集電プレートを備えている。このような燃料電池スタックは公知の製造方法によって例えば次のように製造される。まず、燃料電池スタックは冷間で積み重ねられる。その際、燃料電池のアノード側はまだ還元されていない状態にある（例えばＮｉの代わりにＮｉＯ）。圧縮可能なシールはまだ圧縮されておらず、ガラスペーストまたはソルダーガラスのようなガラスシールはまだ焼成されていない、すなわち処理されていない。公知の製造方法の場合、積み重ねた燃料電池スタックは続いて、ガラスペーストまたはソルダーガラスが溶融するまで、炉内で加熱される。その際、燃料電池スタックが機械的な荷重を受けて圧縮されるので、シールが溶融し、封止を行う。これと同時にあるいはそれに続いて、還元ガス、例えば水素が燃料電池スタックのアノード室に入れられる。それによって、アノードが例えばＮｉＯからＮｉに還元される。場合によっては、還元過程の間機械的な荷重が更に加えられる。すなわち、収縮時の燃料電池の厚さの低減を補償するために、燃料電池スタックが更に圧縮される。

積み重ねた燃料電池を圧縮するための公知の方法は例えば特許文献１によって知られている。

燃料電池スタックを製造するための公知の方法と装置における問題は、燃料電池スタックの接合を制御できず、その際プロセスに介入することができないので、高い不良品割合となることにある。更に、例えばガス封止に関する燃料電池スタックの検査は、接合工程の終了後初めて行うことができる。
米国特許第４，６１５，１０７号明細書

本発明の根底をなす課題は、燃料電池スタックの製造の際に、従来甘受していた高い不良品割合が低下し、それによってコストが低減されるように、冒頭に述べた方法と装置を改良することである。

この課題は独立請求項の特徴によって解決される。

本発明の有利な実施形および発展形態は従属請求項から明らかである。

本発明による方法は、積み重ねた燃料電池スタックの圧縮が積み重ねた燃料電池スタックに対して少なくとも１つの調整された力成分を加えることを含んでいることによって、冒頭に述べた技術水準に基づいている。圧縮を生じる力の調整は、接合工程中に瞬時の接合結果に依存して（自動的に）製造工程に介入することができるという利点がある。例えば、実際の接合結果に基づいて燃料電池スタックの封止を大きな確率で推定できるかまたは測定技術的に検出できるまで、燃料電池スタックの圧縮を生じる力を高めることができる。

本発明による方法の有利な実施形の場合には、少なくとも１つの力成分の調整が、少なくとも１個の力センサを介して検出された、積み重ねた燃料電池スタックの締付けを含んでいる。その際、力センサは例えば積み重ねた燃料電池スタックと、調整された力成分によって燃料電池スタックを押し付ける接触面との間に設けることができる。

それに加えてまたはその代わりに、少なくとも１つの力成分の調整が、少なくとも１個の距離センサによって検出された、積み重ねた燃料電池スタックの寸法の変化を含んでいる。燃料電池スタックの寸法の変化は多くの場合、得られた接合結果から推測可能である。これに関連して、１個または複数の距離センサを使用する代わりに、燃料電池スタックの寸法を検出するのに適した他のセンサ、例えば光学式センサを使用することができる。

本発明による方法の有利な発展形態では、少なくとも１つの調整された力成分が押圧および／または引張り装置によって発生させられ、好ましくは少なくとも１本のタイロッドを介して積み重ねた燃料電池スタックに伝達される。その際、押圧および／または引張り装置は調整された力成分を、専門家にとって周知のいろいろな方法で、例えば液圧的、空気圧的または電気的に発生することができる。少なくとも１つの調整された力成分が引張りによって発生させられるときには、少なくとも１本のタイロッドの使用が有利である。これは特に、少なくとも１本のタイロッドが、製造方法の終了後も、燃料電池スタックの締付けを維持するためのものであるときに当てはまる。

これに関連して、少なくとも１本のタイロッドが積み重ねた燃料電池スタック内に設けた切欠きを通過しているときわめて有利である。特に切欠きが燃料電池スタックの中央に配置されていると、多くの場合、接合工程の際の燃料電池スタックの圧縮のため並びに製造工程後の燃料電池スタックの締付け維持のために、タイロッドを１本だけ使用することで充分である。

本発明による方法は、更に、ステップｂ）の間および／またはその後で実施される次のステップ：ｃ）既に少なくとも部分的に接合された燃料電池スタックの気密性を検査することを含んでいる。これに関連して、気密性の検査が接合中に行われる、すなわち必要な気密性がまだ確保されていない場合に、燃料電池スタックが場合によっては更に圧縮可能である時点で行われるときわめて有利である。

これに関連して、燃料電池スタックにガス、好ましくは不活性の検査ガスが流されることと、燃料電池スタックの万一の漏れがガスの圧力低下によって検出されることが、ステップｃ）に含まれていると有利である。

これに関連して、本発明による方法の有利な発展形態では、燃料電池スタックの漏れが検出されたときに、燃料電池スタックが更に加熱および／または圧縮される。この場合にも、一層の圧縮は好ましくは制御されて行われ、圧力低下は付加的にまたは代替的に制御に含めることができる。

ステップｂ）の間および／またはその後でおよびステップｃ）の間および／またはその後で実施される次のステップ：ｄ）還元ガス、特に水素および窒素のような還元ガス混合気を燃料電池スタックの燃料電池に入れることによって、燃料電池スタックの燃料電池を化成することを含んでいると、本発明による方法にとって有利である。燃料電池スタックの封止を、化成工程中も更に監視すると有利である。これは例えば、還元ガスの流出を検出することによって行われる。それによって、製造工程のこの時点で、適切な対策を講じることができる。この対策は例えば、燃料電池スタックを制御して更に圧縮することにある。従って、燃料電池スタックの締付けを更に監視することも有利である。

本発明による方法にとって更に、ステップｄ）によって生じる燃料電池スタックの容積変化が、燃料電池スタックを適当に圧縮することによって少なくとも部分的に補償されると有利である。これに関連して、圧縮は好ましくは本発明のように制御して行われる。

本発明による方法にとって同様に、ステップｄ）の後で実施される次のステップ：ｅ）燃料電池スタックの電気的な機能を検査することを含んでいると有利である。これにより、製造された燃料電池スタックの品質を比較的に簡単に決定することができる。

その際、燃料電池スタックのアノード側に燃焼ガスが供給され、燃料電池スタックのカソード側にカソードガスが供給されることと、燃料電池スタック内で生じる電圧および／または燃料電池スタックから取り出し可能な電流が測定されることが、ステップｅ）の実施に含まれていると有利である。その際更に、燃料電池スタックが化成の後でまだ封止されているときに、燃料電池スタックの電気的な機能の検査が行われると有利である。

本発明による方法の上述の有利な実施形は、次の他のステップ：ｆ）少なくとも１本のタイロッドを押圧および／または引張り装置から分離するときにも、燃料電池スタックの締付けを少なくともほぼ維持する少なくとも１個のロック要素と、少なくとも１本のタイロッドとを連結することを含んでいる。例えばタイロッドの少なくとも一部がねじ付き棒によって形成されているときには、ロック要素はナットによって簡単に形成可能である。

本発明による方法に従って、少なくともステップｂ），ｄ）、好ましくは少なくともステップｂ），ｃ），ｄ），ｅ）が気密の処理室内で実施され、好ましくはその間に処理室が開放されないと、公知の製造方法に比べてきわめて有利である。処理室は定置された処理室でもよいし、製造中複数の処理ステーションの間を往復運動する処理室でもよい。

本発明による装置は、積み重ねた燃料電池スタックを圧縮するための装置が、少なくとも１つの調整される力成分を積み重ねた燃料電池スタックに加えるのに適した押圧および／または引張り装置を含んでいることによって、冒頭に述べた技術水準に基づいている。この解決策は、本発明による方法と同様に、燃料電池スタックが所望な特性を有するまで、燃料電池スタックの製造中その圧縮を適切に変更することを可能にする。それによって特に、従来甘受していた高い不良品割合を大幅に低下させることができる。本発明の方法によって達成される効果が本発明の装置によって同じようにまたは類似するように実現される。従って、説明の繰り返しを避けるために、本発明の方法に関連する説明が参照される。

これと同じことが、本発明による装置の次の有利な実施形にも同様に当てはまる。これに関して、本発明の方法に関連する説明が参照される。

本発明による装置の有利な実施形の場合、少なくとも１個の力センサによって検出された積み重ねた燃料電池スタックの締付けに依存しておよび／または少なくとも１個の距離センサによって検出された積み重ねた燃料電池スタックの寸法の変化に依存して、少なくとも１つの力成分を調整する制御装置が、少なくとも１つの力成分を調整するための押圧および／または引張り装置に付設されている。

その際、押圧および／または引張り装置が、調整された少なくとも１つの力成分をタイロッドを経て積み重ねた燃料電池スタックに伝達するために適していると有利である。

本発明による装置の好ましい実施形は、積み重ねた燃料電池スタックを収容するために設けられた気密の処理室と、この処理室および／またはこの処理室内に配置された燃料電池スタックにガスを供給するために設けられたガス供給装置とを備えている。

その際、本発明による装置の有利な発展形態は、ガス排出装置を備えている。

更に、本発明による装置の発展形態が電気的な検査装置を備えている有利である。

連続的な組み立てプロセスを保証するために、本発明による装置は、個々の燃料電池スタック製造ステップを実施するために異なる処理ステーションに移動させられる、移動可能で気密の多数の処理室を備えるように形成可能である。

これに関連して、気密の多数の処理室が回転ラックの形に配置されていると特に有利である。その際、考えられる特別な実施形では、組み立て室または処理室が回転ラックのアームに配置されている。この場合、ガス供給排出管と電気的な導体を回転ラックのハブ内に配置し、個々の処理室に対して放射状に延設すると有利である。回転ラックが予定の位置にあると、処理室が開放し、燃料電池スタックが処理室内で積み重ねられるかまたは既に積み重ねられた燃料電池スタックが処理室に入れられる。続いて、処理室が再び閉鎖され、回転ラックが移動させられる。それによって、回転ラックを１回転させるために必要な時間内に、接合および検査のためのすべてのステップを実施することができる。この場合、完成した燃料電池ラックは、冷間で装着した位置と同じ位置で取り出すことができる。

上記説明から明らかなように、本発明の重要な点は、制御される接合工程によって、公知の製造方法の場合に甘受していた多量の不合格判定個数を大幅に低減することができることにある。

添付の図を参照しつつ有利な実施の形態に基づいて本発明を例示的に説明する。

図１は気密の処理室１１を示している。この処理室１１は実質的に、テーブル５と、このテーブル５上に装着された気密のフード２とによって形成されている。処理室１１内には燃料電池スタック１が積み重ねられている。テーブル５と積み重ねられた燃料電池スタック１との間には絶縁板４が配置されている。導体とその他の接続手段がシールされてこの絶縁板４を通過している。導体と接続手段は処理室１１またはこの処理室１１内に配置された燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の電気的な監視のための装置６、ガス供給兼排出のための装置７および燃料電池スタック１の機械的な締付けおよび監視のための装置８とを接続している。気密のフード２の上側範囲には、（他の）ガス供給部９と（他の）ガス排出部１０が示してある。この（他の）ガス供給部９と（他の）ガス排出部１０は場合によっては、ガス供給兼排出のための装置７に付設可能である。処理室１１内には更に、処理室１１またはこの処理室１１内に配置された燃料電池スタック１を加熱することができる加熱要素３が配置されている。

次に、図１に示した装置を図２〜４に基づいて詳しく説明する。図２〜４には、図１に示した装置の個々の構成要素が詳しく示してある。

図２は燃料電池スタックの機械的な締付けおよび監視のための装置を簡略化して示している。この装置は図１の装置の構成部材である。図２には、テーブル５または絶縁板４上に配置された燃料電池スタック１の一部だけが示してある。燃料電池スタック１は下側の底板１．２と上側の被覆板１．１を備えている。この下側の底板１．２と上側の被覆板１．１との間には、個々の燃料電池１．３が配置されている。燃料電池スタック１は切欠き１．５を有する。図示の場合、タイロッド１．４がこの切欠きを通過している。タイロッド１．４は組み立て完了状態で燃料電池スタック１の締付けを行うかまたは締付け保持する。そのために、ロック要素１．６が設けられている。このロック要素１．６は例えば、タイロッド１．４の少なくとも下側区間がねじ付き棒として形成されている場合に、ナットを備えることができる。タイロッド１．４は連結要素８．２を介して引張り装置８．１に分離可能に連結されている。この引張り装置８．１は支持フレーム８．３を介してテーブル５に連結され、方向ｘの調節された力成分Ｆをタイロッド１．４、ひいては燃料電池スタック１に加えるように形成されている。それによって、燃料電池スタック１はより強くまたは弱く締付けられる。引張り装置８．１は調節された力成分Ｆを例えば液圧的、空気圧的または電気的に発生することができる。引張り装置８．１には、発生すべき引張り力のための制御量が制御装置８．６から供給される。図示した実施の形態の場合、制御装置８．６は、少なくとも１個の力センサ８．４によって検出された１つまたは複数の力と、少なくとも１個の変位センサ８．５を介して検出された、燃料電池スタック１の寸法の変化とに依存して、制御量を発生する。

図３はガス供給兼排出のための装置を簡略化して示している。この装置は図１の装置の構成部材である。図３に示すように、燃料電池スタック１はガス、特にアノードガスを案内するための内部通路１．５を有する。この内部通路１．５はそれぞれ、少なくとも一方の側が外側に開放している。燃料電池スタック１は更に、カソードガスを案内するための、図示していない他の部側通路を備えていてもよい。これに加えてまたはその代わりに、燃料電池のカソード側が外側に開放していてもよい。内部の分配通路１．５はアノードガス供給管７．７のための分離可能な管継手７．１と、アノードガス排出管７．８のための分離可能な管継手７．２に接続している。アノードガス供給管７．７には弁７．３が付設され一方、アノードガス排出管７．８には弁７．４が付設されている。分離可能な少なくとも１個の管継手、例えば分離可能な管継手７．１と、関連する遮断弁、例えば遮断弁７．３との間には、圧力測定装置７．５が設けられている。この圧力測定装置７．５はガス制御／調整装置７．６に接続されている。燃料電池スタック１がカソードガスのための図示していない内部の分配通路を備えている場合には、この分配通路は分離可能な管継手を介して外側のカソードガス供給兼排出部に接続することが可能である。アノードガス供給を制御または調整するために、図示していない他の弁および圧力センサを設けることができる。ガス制御／調整装置７．６は、既存の弁、特に図示した弁７．３，７．４を開閉するように形成されている。

図４は燃料電池スタックの電気的な監視のための装置を簡略化して示している。この装置は図１の装置の構成部材である。図４は絶縁板４上に配置された燃料電池スタック１のエッジ範囲を示している。被覆板１．１は電気的な接触要素６．２を介して接続ターミナルＤに接続されている。類似の方法で、底板１．２は接触要素６．４を介して接続ターミナルＡに接続されている。図示の場合更に、２個の単一電池１．３が接触要素６．３を介して接続ターミナルＢ，Ｃに接続されている。接触要素６．２，６．３，６．４は場合によっては１個または複数のホルダー６．１によって機械的に支持することができる。最も簡単な場合には、単一電池を１個だけ接触要素に接続することで充分であるが、少なくとも２個の単一電池１．３を電気的に測定すると有利である。燃料電池スタック１の機能を検査するために、接続ターミナルＡ〜Ｄで電圧および／または電流を測定することができる。接触要素６．２，６．３，６．４は好ましくは温度変化に耐える合金からなっている。更に、接触要素は好ましくは弾性に形成されている。それによって、製造工程中に燃料電池スタック１が少しだけ動いても常に電気的な接触が維持される。

次に、図１の装置の図２〜４に示した構成部材の作用と、本発明による方法の実施可能性について接続する。

燃料電池スタック接合
まずに、燃料電池スタックが冷間で積み重ねられる。すなわち、還元されていない状態にある単一電池１．３と底板１．２と被覆板１．１が積み重ねられる。この場合、ソルダーガラスがペーストとして塗布されるかあるいはフィルムとして一緒に積み重ねられる。続いて、積み重ねられた燃料電池スタック１が絶縁板４に載せられる。図示の場合、１本のタイロッド１．４が引張り装置８．１の連結部材８．２に連結される（図２）。しかし、本発明はこのような実施の形態に限定されない。続いて、分離可能な気密の継手７．１，７．２が接続される。この場合、弁７．３，７．４は差し当たり閉じている（図３）。更に、電気的な接触部６．２，６．３，６．４が装着される（図４）。続いて、フード２（図１）が閉鎖される。ガス供給部９から不活性ガスを処理室１１に充填することができる。この場合、ガス排出部１０からガスを押しのけ排出することができる。場合によっては予熱された加熱要素３のスイッチが入れられると、処理室１１、ひいてはこの処理室内に配置および積み重ねられた燃料電池スタック１が加熱される。それによって、ソルダーガラスが溶け始める。今や、引張り装置８．１が作動させる。それによって、この引張り装置が積み重ねられた燃料電池スタック１を圧縮して締付け始める。従って、ソルダーガラスの収縮による燃料電池スタック１の長さ短縮の少なくとも大部分が補償される。燃料電池スタックの締付けの力と変位の曲線が力センサ８．４と変位センサ８．５を介して検出される。複数のタイロッドが設けられている実施の形態の場合、この力と変位の曲線の検出は好ましくは各タイロッドについて行われる。力と変位の曲線は予め定められた１つまたは複数の目標曲線と比較される。偏差の発生は、燃料電池スタックの不均一な締付けを示す。この場合、適当な対策が講じられる。例えば、少なくとも１個の引張り装置によって発生した力成分を増大または低下させることができる。図示していないが、複数のタイロッドと場合によっては複数の引張り装置を設けると有利である。というのは、この場合燃料電池スタック１の不均一な締付けをきわめて効果的に防止することができるからである。

燃料電池スタックの封止作用の検査
燃料電池スタックが気密になるほど、封止ガラスが溶融している状態が達成されると、弁７．３，７．４の開放によって不活性の検査ガスが燃料電池スタック１に供給される（図３）。所定の圧力に達するまで、ガスが供給される。そして、弁７．３，７．４が閉鎖される。場合によっては、燃料電池スタックの温度衝撃を回避するために、検査ガスを予熱することができる。燃料電池スタック１内の圧力は圧力センサ７．５を介して検出され、ガス制御／調整装置７．６で評価される。設定された時間にわたって検出された圧力低下が限界値を上回ると、燃料電池スタックからガスが漏れていると推察される。圧力低下の検出に加えてまたはその代わりに、漏れている場合に処理室１１内に溢れる検査ガスを使用することができる。ガス排出部１０から微量の検査ガスを吸出し、図示していないガスセンサによってその量を検出することができる。圧力低下の度合いと、流出した検査ガスの量は、燃料電池スタック１の封止作用の程度を示す。漏れが確認されると、プロセスにおいて対策を講じることができる。例えば強く締付けたり、シールを溶融するために長い時間を選択したりおよび／または温度を高めることができる。対策を講じても燃料電池スタック１の所望な特性が達成できない場合には、必要とあらばプロセスを中止することができる。燃料電池スタック１内のカソードガスの案内のために内部の通路が設けられている場合、燃料電池スタックの封止作用の検査を同様に行うことができる。

燃料電池スタックの化成
封止基準が満たされている場合、次のステップで燃料電池の化成、すなわち還元を行うことができる。そのために、燃料電池スタック１の機械的な締付けが更に監視され（図２）、還元ガス、好ましくは水素や窒素のような還元ガス混合気の特に連続的な流れが、気密な燃料電池スタック１を通って案内される。場合によっては、燃料電池スタック１内の温度衝撃を回避するために、化成ガスを予熱することができる。特に化成ガスが燃焼または爆発する危険があるときには、処理室１１からの化成ガスの流出を確実に回避しなければならない。そのために、ガス押しのけ部９，１０を介して処理室１１内を負圧を維持することができる。これにより、化成中に燃料電池スタック１が万一漏れても、流出する水素ガスが処理室１１内に入る空気によって直ちに燃やされることになる。それに加えてまたはその代わりに、流出する化成ガスを処理室１１から除去するために、処理室１１内においてガス押しのけ部９，１０を介して連続的にガス交換を行うことができる。流出する微量の化成ガスは場合によってはガス排出部１０の下流でセンサによって測定可能である。このような微量の流出化成ガスはプロセス中、燃料電池スタック１の漏れの程度を示す。漏れが確認されるときには、適切な対策を講じることができる。化成の間、燃料電池の微細構造が変化する。これは容積変化と平行して起こる。締付け中の少なくとも１つの力成分Ｆ（図２）の調整によって、この容積変化の少なくとも大部分を補償することができる。

燃料電池スタックの電気的な機能の検査
燃料電池スタック１が化成後封止状態にあり、かつすべての燃料電池が還元されると、燃料電池スタック１は電気的に作動可能な状態にある。今や、水素を含む燃焼ガスが弁７．３，７．４（図３）を経て燃料電池スタック１に供給される。カソードガス、例えば空気がガス押しのけ部９，１０を経て処理室１１に供給される。カソードガスが内部の通路を経て行われる場合には、カソードガスを燃料電池スタック１に充填するためにこの内部の通路が利用される。燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード側に供給し、カソードガスを燃料電池のカソード側に供給することにより、燃料電池スタック内で電圧が生じる。この電圧の高さは燃料電池スタック１の品質の程度を示す。電圧は接触要素６．２，６．４を介してピックアップされ、そして接続ターミナルＡ，Ｄで測定可能である。接触要素６．３を介してピックアップされ、そして接続ターミナルＢ，Ｃで測定可能である所定の数の単一電池１．３の間の電圧差は、接触要素６．３の間にある単一電池１．３の品質の程度を示す。好ましい実施の形態の場合、個々の燃料電池が個別的に測定される。というのは、すべての単一電池が設定された電圧に対して、設定された値よりも大きく異なっていないことが品質基準であるからである。場合によっては、少なくとも接触要素６．２，６．４は、純粋な電圧タップよりも高い電流を案内するように形成されている。燃料電池スタック１を検査するために、燃料電池スタック１から接触要素６．２，６．４を経て電流を取り出すことができる。その際、接触要素６．２と６．４の間の電圧と、接触要素６．３の間の電圧が低下する。その際、検査基準は、電流の上昇時の電圧低下の変化が予め定めた変化に対して所定の値よりも大きく異なっていないことにある。

燃料電池スタックの取り出し
タイロッド１．４が引張り装置８．１によって機械的に締め付けられている間に、ロック要素１．６が連結要素８．２の燃料電池スタック側に取付けられる（図２）。連結要素８．２が開放し、引張り装置８．１が燃料電池スタック１から分離されるときにも、ロック要素はタイロッド１．４の引張り応力を引き続き保つ。タイロッド１．４とロック要素１．６は燃料電池スタック１上にとどまる。燃料電池スタック１を加熱する前にロック要素１．６をタイロッド１．４上に仮止めし、燃料電池スタック１を締付けた後でロック要素を締めるかまたは錠止すると有利であることが判った。連結要素８．２の貫通案内部を適切に形成すると、ロック要素１．６の締めまたは錠止を、底板５の低温側から行うことができる。

製造プロセスへの取り込み
前述のステップは、組み立て室および検査室としての働きをする空いた個々の処理室１１内で行うことができる。

しかし、連続的な組み立てのために複数の処理室を１つの装置に統合すると有利である。連続的な組み立てのためのこのような装置は例えば回転ラックとして形成可能である。この回転ラックのアームにはそれぞれ処理室１１が設けられている。ガス供給管および排出管と電気供給部は好ましくは回転ラックのハブに配置され、処理室１１に対して放射状に延びている。回転ラックが所定の位置にあると、フード２が開放され、積み重ねられた燃料電池スタック１が冷間で組み込まれる。続いて、フード２が閉鎖され、回転ラックが更に回転する。接合および検査のためのすべてのステップは好ましくは回転ラックが１回転するのに必要な時間内に行われる。回転ラックが再び出発位置に来ると、完成した燃料電池スタック１が取り出され、そして積み重ねられた低温の他の燃料電池スタック１が装着される。

本発明は技術水準と比較して、燃料電池スタックの製造時に発生する不合格判定個数を大幅に低減し、燃料電池スタックの品質を高めることができる。

上記、図面および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、単独でも任意の組み合わせでも本発明の実施のために重要である。

本発明による方法を実施するのに適した本発明による装置の実施の形態を簡略化して示す図である。 燃料電池スタックを機械的に締付けおよび監視するための装置を簡略化して示す図であり、この装置は図１の装置の構成部材である。 ガス供給および排出のための装置を簡略化して示す図であり、この装置は図１の装置の構成部材である。 燃料電池スタックの電気的な監視のための装置を簡略化して示す図であり、この装置は図１の装置の構成部材である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、１．１…上側の被覆板、１．２…下側の底板、１．３…燃料電池、１．４…タイロッド、１．５…切欠き、１．６…ロック要素、２…フード、３…加熱要素、４…絶縁板、５…テーブル、６…電気的な監視のための機器、６．１…ホルダー、６．２…接触要素、６．３…接触要素、６．４…接触要素、７…ガス供給排出のための機器、７．１…アノードガス供給用管継手、７．２…アノードガス排出用管継手、７．３…弁、７．４…弁、７．５…圧力測定装置、７．６…ガス制御／調整装置、７．７…ガス供給管、７．８…ガス排出管、８…機械的な締付けおよび監視のための機器、８．１…引張り装置、８．２…連結要素、８．３…支持フレーム、８．４…力センサ、８．５…変位センサ、８．６…制御装置、９…ガス供給部、１０…ガス排出部、１１…処理室、Ａ…接続ターミナル、Ｂ…接続ターミナル、Ｃ…接続ターミナル、Ｄ…接続ターミナル、Ｆ…力成分、ｘ…力成分の方向

Claims (22)

1. 次のステップ、
   ａ）燃料電池スタック（１）を積み重ねること、および、
   ｂ）積み重ねた燃料電池スタック（１）を加熱および圧縮しながら、燃料電池スタック（１）を接合すること
   を含む、燃料電池スタックを製造するための方法において、
   積み重ねた燃料電池スタックの圧縮が、積み重ねた燃料電池スタック（１）に対して少なくとも１つの調整された力成分（Ｆ）を加えることを含んでいることを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの力成分（Ｆ）の調整が、少なくとも１個の力センサ（８．４）を介して検出された、積み重ねた燃料電池スタック（１）の締付けを含んでいることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１つの力成分（Ｆ）の調整が、少なくとも１個の距離センサ（８．５）によって検出された、積み重ねた燃料電池スタック（１）の寸法の変化を含んでいることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 少なくとも１つの調整された力成分が押圧および／または引張り装置（８．１）によって発生させられ、好ましくは少なくとも１本のタイロッド（１．４）を介して積み重ねた燃料電池スタック（１）に伝達されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 少なくとも１本のタイロッド（１．４）が積み重ねた燃料電池スタック（１）内に設けた切欠き（１．５）を通過していることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. ステップｂ）の間および／またはその後で実施される次のステップ
   ｃ）既に少なくとも部分的に接合された燃料電池スタック（１）の気密性を検査すること
   を含んでいることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 燃料電池スタック（１）にガス、好ましくは不活性の検査ガスが流されることと、燃料電池スタック（１）の万一の漏れがガスの圧力低下によって検出されることが、ステップｃ）に含まれていることを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 燃料電池スタック（１）の漏れが検出されたときに、燃料電池スタック（１）が更に加熱および／または圧縮されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. ステップｂ）の間および／またはその後でおよびステップｃ）の間および／またはその後で実施される次のステップ
   ｄ）還元ガス、特に水素および窒素のような還元ガス混合気を燃料電池スタック（１）の燃料電池（１．３）に入れることによって、燃料電池スタック（１）の燃料電池（１．３）を化成すること
   を含んでいることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. ステップｄ）によって生じる燃料電池スタック（１）の容積変化が、燃料電池スタック（１）を適当に圧縮することによって少なくとも部分的に補償されることを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. ステップｄ）の後で実施される次のステップ
    ｅ）燃料電池スタック（１）の電気的な機能を検査すること
    を含んでいることを特徴とする、請求項９または１０記載の方法。
12. 燃料電池スタック（１）のアノード側に燃焼ガスが供給され、燃料電池スタック（１）のカソード側にカソードガスが供給されることと、燃料電池スタック（１）内で生じる電圧および／または燃料電池スタックから取り出し可能な電流が測定されることが、ステップｅ）の実施に含まれていることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 次のステップ
    ｆ）少なくとも１本のタイロッド（１．４）を押圧および／または引張り装置（８．１）から分離するときにも、燃料電池スタック（１）の締付けを少なくともほぼ維持する少なくとも１個のロック要素（１．６）と、少なくとも１本のタイロッド（１．４）とを連結すること
    を含んでいることを特徴とする、請求項４記載の方法。
14. 少なくともステップｂ），ｄ）、好ましくは少なくともステップｂ），ｃ），ｄ），ｅ）が気密の処理室（１１）内で実施され、好ましくはその間に処理室（１１）が開放されないことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の方法。
15. 積み重ねた燃料電池スタック（１）を加熱するための加熱装置（３）と、積み重ねた燃料電池スタック（１）を圧縮するための装置（８）とを備えた、燃料電池スタック（１）を製造するための装置、特に請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、積み重ねた燃料電池スタック（１）を圧縮するための装置（８）が、少なくとも１つの調整される力成分（Ｆ）を積み重ねた燃料電池スタック（１）に加えるのに適した押圧および／または引張り装置（８．１）を含んでいることを特徴とする装置。
16. 少なくとも１個の力センサ（８．４）によって検出された積み重ねた燃料電池スタック（１）の締付けに依存しておよび／または少なくとも１個の距離センサ（８．５）によって検出された積み重ねた燃料電池スタック（１）の寸法の変化に依存して、少なくとも１つの力成分（Ｆ）を調整する制御装置（８．６）が、少なくとも１つの力成分（Ｆ）を調整するための押圧および／または引張り装置（８．１）に付設されていることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
17. 押圧および／または引張り装置（８．１）が、調整された少なくとも１つの力成分（Ｆ）をタイロッド（１．４）を経て積み重ねた燃料電池スタック（１）に伝達するために適していることを特徴とする、請求項１６記載の装置。
18. 積み重ねた燃料電池スタック（１）を収容するために設けられた気密の処理室（１１）と、この処理室（１１）および／またはこの処理室内に配置された燃料電池スタック（１）にガスを供給するために設けられたガス供給装置（７，９）とを備えていることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一つに記載の装置。
19. ガス排出装置（１０）を備えていることを特徴とする、請求項１８記載の装置。
20. 電気的な検査装置（６）を備えていることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一つに記載の装置。
21. 個々の燃料電池スタック製造ステップを実施するために異なる処理ステーションに移動させられる、移動可能で気密の多数の処理室（１１）を備えていることを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一つに記載の装置。
22. 気密の多数の処理室（１１）が回転ラックの形に配置されていることを特徴とする、請求項２１記載の装置。
    

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