JP2007287436A - 燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池製造用スタック装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ロボットの停止精度やハンドリングの位置バラツキがあってもこれらを除去でき、ワークを確実に突き当て部材に密着させて位置決めさせることのできる燃料電池製造用スタック装置を提供する。
【解決手段】金属板からなるセパレータ15と膜電極接合体14を搬送用ロボット24に取り付けたハンドリング装置で第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18を備えた積層装置に交互に積層する燃料電池製造用スタック装置であって、吸着パッド25を有した把持手段26でセパレータ15又は膜電極接合体14を吸着保持し、その保持したセパレータ15又は膜電極接合体14を第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18に突き当てたときに、搬送用ロボット24の停止精度や把持手段26とワークとの位置のバラツキによって突き当て部材にワークが強く衝突したときの衝撃をコイルバネ31、35などから構成される衝撃吸収手段で吸収するようにする。
【選択図】図4
【解決手段】金属板からなるセパレータ15と膜電極接合体14を搬送用ロボット24に取り付けたハンドリング装置で第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18を備えた積層装置に交互に積層する燃料電池製造用スタック装置であって、吸着パッド25を有した把持手段26でセパレータ15又は膜電極接合体14を吸着保持し、その保持したセパレータ15又は膜電極接合体14を第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18に突き当てたときに、搬送用ロボット24の停止精度や把持手段26とワークとの位置のバラツキによって突き当て部材にワークが強く衝突したときの衝撃をコイルバネ31、35などから構成される衝撃吸収手段で吸収するようにする。
【選択図】図4
Description
本発明は、膜電極接合体とセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池製造用スタック装置に関する。
例えば、膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層することで燃料電池スタックを形成している。
かかる膜電極接合体とセパレータを積層する方法としては、これらの外形寸法に合わせた筐体内に、当該膜電極接合体とセパレータを交互に積層させる方法が知られている(例えば、特許文献1など参照)。
しかしながら、膜電極接合体とセパレータの外形寸法に合わせた筐体内にこれら膜電極接合体とセパレータを挿入させる作業は、非常に難しく手作業では作業効率が悪くなり、また、ロボットによる自動化では搬送位置決めの精度が要求される。
特開2003−86230号公報(第3頁および第4頁、第8図)
しかしながら生産性を高める上では、ロボットによる自動化が必要であるが、ロボットの停止精度や吸着パッドとワークとの位置のバラツキがあり、これらが原因で積層位置ずれが生じるだけでなく、突き当て部にワークが強く干渉し、ワークが損傷する恐れがある。
そこで、本発明は、ロボットの停止精度やハンドリングの位置のバラツキがあってもこれらを除去でき、ワークを確実に突き当て部材に密着させて位置決めさせることのできる燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池製造用スタック装置を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池スタックの積層方法は、金属板からなるセパレータと膜電極接合体を交互に積層してなる燃料電池スタックの積層方法において、セパレータ又は膜電極接合体を搬送用ロボットに取り付けた把持手段で把持した後、少なくとも2辺を積層装置の突き当て部材に突き当て、その突き当て部材に突き当てたときの衝撃を前記把持手段に設けた衝撃吸収手段で吸収しつつ膜電極接合体又はセパレータを前記突き当て部材に密着させて位置決めさせる。
本発明に係る燃料電池製造用スタック装置は、金属板からなるセパレータと膜電極接合体の少なくとも2辺を突き当てる突き当て部材を有し、その突き当て部材の突き当て面にこれら膜電極接合体とセパレータを突き当てて、これら膜電極接合体とセパレータを交互に積層させる積層装置と、搬送用ロボットに取り付けられ、前記セパレータ又は前記膜電極接合体を把持する把持手段と、把持したセパレータ又は膜電極接合体を前記突き当て部材に突き当てたときの衝撃を吸収する衝撃吸収手段とを有したハンドリング装置とを備える。
本発明に係る燃料電池スタックの積層方法によれば、セパレータ又は膜電極接合体(ワーク)を突き当て部材に突き当てたときの衝撃を衝撃吸収手段で吸収しつつセパレータと膜電極接合体を該突き当て部材に密着させて位置決めするので、搬送ロボットの停止精度や把持手段とワークとの位置のバラツキによって突き当て部材にワークが強く衝突してもその衝撃が衝撃吸収手段で吸収されるため、ワークを損傷させることなく突き当て部材に密着させて位置決めさせることができる。したがって、膜電極接合体とセパレータとの積層位置ずれを無くすことができ、精度良くセパレータと膜電極接合体を積層することが可能となる。
また、本発明の燃料電池製造用スタック装置によれば、把持手段で把持したセパレータ又は膜電極接合体を突き当て部材に突き当てたときの衝撃を吸収する衝撃吸収手段を設けているので、搬送ロボットの停止精度や把持手段とワークとの位置のバラツキによって突き当て部材にワークが強く衝突してもその衝撃が衝撃吸収手段で吸収されることからワークの損傷を防止することができる。
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構成」
図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。燃料電池スタック1は、図1に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル2を所定数だけ積層した積層体3とされ、その積層体3の両端に集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、該積層体3の内部に貫通した貫通孔(図示は省略する)にタイロッド7を貫通させ、そのタイロッド7の端部にナット(図示は省略する)を螺合させることで構成されている。
図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。燃料電池スタック1は、図1に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル2を所定数だけ積層した積層体3とされ、その積層体3の両端に集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、該積層体3の内部に貫通した貫通孔(図示は省略する)にタイロッド7を貫通させ、そのタイロッド7の端部にナット(図示は省略する)を螺合させることで構成されている。
この燃料電池スタック1においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル2のセパレータ(図示は省略する)に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12および冷却水排出口13を、一方のエンドプレート6に形成している。
燃料ガスは、燃料ガス導入口8より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れた後、燃料ガス排出口9より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口10より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れた後、酸化剤ガス排出口11より排出される。冷却水は、冷却水導入口12より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れた後、冷却水排出口13より排出される。
燃料電池単セル2は、膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)14と、この膜電極接合体14の両面にそれぞれ配置されるセパレータ15とから構成される。
膜電極接合体14は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極(何れも図示は省略する)とからなる。かかる膜電極接合体14は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
セパレータ15は、発電効率をより一層高めるためにその厚みを薄くした、導電性に優れた金属板からなる。例えば、セパレータ15には、磁性体であるマルテンサイト、フェライトなどの導電性を有した金属板を使用することが好ましい。このセパレータ15には、発電に寄与するアクティブ領域(膜電極接合体14と接する中央部分の領域)に、凹条部と凸条部を交互に形成した凹凸形状(いわゆるコルゲート形状)からなる燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が形成されている。
また、セパレータ15には、前記した燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12および冷却水排出口13と連通するそれぞれのマニホールド(図示は省略する)が形成されている。さらに、セパレータ15には、タイロッド7を貫通させるスタッキング孔が形成されている。
このように構成された膜電極接合体14とセパレータ15とは、該膜電極接合体14の両面にセパレータ15を積層し、これらの間をシールすることで燃料電池単セル2を構成し、その各燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタック1が構成される。
「積層装置の構成」
次に、燃料電池製造用スタック装置における積層装置について図面を参照しながら説明する。図2は膜電極接合体及びセパレータを交互に積層させた状態における積層装置の斜視図、図3は膜電極接合体及びセパレータを積層させる前の状態における積層装置の斜視図である。
次に、燃料電池製造用スタック装置における積層装置について図面を参照しながら説明する。図2は膜電極接合体及びセパレータを交互に積層させた状態における積層装置の斜視図、図3は膜電極接合体及びセパレータを積層させる前の状態における積層装置の斜視図である。
積層装置は、図2及び図3に示すように、ベースとなる基台16と、この基台16の上に固定された第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18とからなる。
第1突き当て部材17は、膜電極接合体14及びセパレータ15の一方の長辺14a、15aの一端側における端面を突き当てる突き当て壁17Aを有している。この突き当て壁17Aは、基台16の長手方向における一端側寄りの位置に起立して設けられている。また、この突き当て壁17Aは、少なくとも膜電極接合体14とセパレータ15を交互に積層して得られる燃料電池スタック1の高さよりも高い壁として形成されている。そして、この突き当て壁17Aの内側の面が、膜電極接合体14及びセパレータ15の端面を突き当てる突き当て面19aとなっている。
第2突き当て部材18は、膜電極接合体14及びセパレータ15の前記長辺14a、15aの他端側における端面を突き当てる突き当て壁18Aと、膜電極接合体14及びセパレータ15の一方の短辺14b、15bの端面を突き当てるガイド壁18Bとを有し、これらが互いに略直角に配置されることで平面略逆L字状とされている。この第2突き当て部材18は、第1突き当て部材17と同様、積層して得られた燃料電池スタック1の高さよりも高い壁として形成されている。また、この第2突き当て部材18の突き当て壁18Aは、第1突き当て部材17の突き当て壁17Aと同一直線上に設けられている。そして、前記2つの突き当て壁18A、18Bの内側の面が、膜電極接合体14及びセパレータ15の端面を突き当てる突き当て面20a、20bとなっている。
また、前記基台16には、第2突き当て部材18に隣接する位置に支持壁21が起立して設けられ、その支持壁21に、後述するハンドリング装置を引き込む引き込み手段22が取り付けられている。引き込み手段22の構成については、後に詳述するものとする。
「ハンドリング装置の構成」
次に、燃料電池製造用スタック装置におけるハンドリング装置について図面を参照しながら説明する。図4はハンドリング装置を示し、(A)は平面図、(B)は側面図、図5はハンドリング装置を引き込む引き込み手段の正面図である。
次に、燃料電池製造用スタック装置におけるハンドリング装置について図面を参照しながら説明する。図4はハンドリング装置を示し、(A)は平面図、(B)は側面図、図5はハンドリング装置を引き込む引き込み手段の正面図である。
ハンドリング装置23は、搬送用ロボット24の手首部分に取り付けられ、セパレータ15又は膜電極接合体14を把持する把持手段と、把持したセパレータ15又は膜電極接合体14を突き当て部材17、18に突き当てたときの衝撃を吸収する衝撃吸収手段とを備えている。
把持手段26は、セパレータ15又は膜電極接合体14(以下の説明においてこれらを便宜上ワークと称し適宜使用することとする)を吸着して保持する吸着パッド25と、吸着パッド25をその先端に取り付ける吸着パッド保持部材とからなる。吸着パッド保持部材は、ワークの長手方向に沿って延在する主フレーム27と、ワークの短辺方向に沿って設けられる副フレーム28とを備えている。副フレーム28は、主フレーム27の長手方向両端部と、その両端部から少し手前の位置にそれぞれ設けられており、断面略コ字状をなす先端部に吸着パッド25を取り付けている。本実施の形態では、ワークの保持状態を安定して行うことができるように4個の吸着パッド25を設けている。
衝撃吸収手段は、吸着パッド25を有した把持手段26を第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18の突き当て面19a、20aに突き当てる方向(X方向)に可動自在とされると共に突き当たったときの衝撃を吸収するX方向可動衝撃吸収機構部と、把持手段26を第2突き当て部材18の突き当て面20bに突き当てる方向(Y方向)に可動自在とされると共に突き当たったときの衝撃を吸収するY方向可動衝撃吸収機構部とからなる。
Y方向可動衝撃吸収機構部は、前記把持手段26を摺動保持させるY方向フレーム29と、このY方向フレーム29に対してスライド自在なY方向スライドレール30と、Y方向フレーム29と副フレーム28との間に設けられたY方向コイルバネ31とからなる。ワークが突き当て面20bに突き当てられた場合、搬送用ロボットの停止精度や吸着パッド25とワークとの位置のバラツキによってはワークが突き当て面20bに強くぶつかるが、把持手段26はY方向フレーム29に対してスライド自在とされており、しかも突き当て面20bにワークがぶつかったときの衝撃がY方向コイルバネ31により吸収されるようになっている。
X方向可動衝撃吸収機構部は、Y方向フレーム29の上に固定されるX方向フレーム32と、搬送用ロボット24の手首部分に設けられた手首側フレーム33に固定され、前記X方向フレーム32に対してスライド自在なX方向スライドレール34と、手首側フレーム33とY方向フレーム29との間に設けられたX方向コイルバネ35とからなる。X方向コイルバネ35は、中央と両側の位置にそれぞれ配置されている。ワークが突き当て面19a、20aに突き当てられた場合、把持手段26はX方向フレーム32に対してスライド自在とされており、しかも突き当て面19a、20aにワークがぶつかったときの衝撃がX方向コイルバネ35により吸収されるようになっている。
引き込み手段22は、支持壁21の先端側に固定された固定プレート35に対して軸部36を中心として回動自在とされる回動アーム37と、図4(A)中第2突き当て部材18に近い副フレーム28の内側に配置され(一点鎖線で示す位置)てこの副フレーム28に接する引っ掛け部材38と、この引っ掛け部材38を先端に取り付ける保持部材39と、この保持部材39をY方向に移動自在とする可動手段40とからなる。
可動手段40は、進退自在なロッド41を有したアクチュエータからなり、そのロッド41の先端に取り付けた保持部材39をY方向に移動自在とすることで、その先端に設けた引っ掛け部材38を副フレーム28に引っ掛け、前記把持手段26で保持したワークを突き当て面20bへと引き寄せるように構成されている。
このように構成された衝撃吸収手段は、ワークを第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18に突き当てる場合は、ハンドリング装置と接触しない待避位置(図5の二点鎖線で示す位置)にあり、ワークを積層装置に位置決めするときに図示を省略する傾倒手段にて引き込み位置(図5の実線で示す位置)に移動するようになっている。
「燃料電池スタックの積層方法」
次に、燃料電池スタックの積層方法について説明する。
次に、燃料電池スタックの積層方法について説明する。
図6は燃料電池スタックの積層工程を順次示す工程図であり、(A)は積層装置の上にワークを搬送した状態を示すハンドリング装置部分の側面図、(B)はそのときのハンドリング装置部分の正面図、図7は燃料電池スタックの積層工程を順次示す工程図であり、突き当て部材にワークを突き当てた状態を示すハンドリング装置部分の側面図、図8は燃料電池スタックの積層工程を順次示す工程図であり、(A)は引き込み手段を傾倒させる状態を示すハンドリング装置部分の正面図、(B)は把持手段を引き込んだ状態のハンドリング装置部分の正面図、図9は燃料電池スタックの積層工程を順次示す工程図であり、ワークの吸着を解除する状態を示すハンドリング装置部分の側面図である。
先ず、搬送用ロボット24が膜電極接合体14又はセパレータ15を複数ストックしたストック部(図示は省略する)にアクセスし、そのうちのどちらかのワークを把持手段26の吸着パッド25で吸着保持する。ここでは、ハンドリング装置にてセパレータ15を把持することとする。
次に、吸着パッド25で吸着保持したセパレータ15を、図6に示すように積層装置へと搬送させる。この状態では、引き込み手段22は、ハンドリング装置と接触しない待避位置にある。次に、ハンドリング装置をX方向とY方向にそれぞれ動かし、セパレータ15を、図7に示すように第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18のそれぞれの突き当て面19a、20a、20bに突き当てる。
このとき、搬送用ロボット24の停止精度や吸着パッド25とセパレータ15との位置のバラツキによっては、セパレータ15が第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18に強く当たるが、その衝撃はコイルバネ31、35などを使用してなる衝撃吸収手段によって吸収される。そのため、第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18に大きな衝撃を持ってセパレータ15が衝突することが防止され、当該セパレータ15の損傷を回避することができる。この衝撃吸収手段がないと、図10に示すように、セパレータ15が突き当て部材18に衝突して破損してしまう。
次に、引き込み手段22を、図8に示すように待避位置から引き込み位置へと傾倒させる。そして、可動手段40を作動させて引っ掛け部材38で前記把持手段26を第2突き当て部材18側へと引き込む。これで、セパレータ15は、X方向とY方向の何れの方向ともそれぞれの突き当て面19a、20a、20bに隙間無く密着して位置決めされることになる。位置決めが完了したら、吸着パッド25による吸着を解除し、図9に示すようにセパレータ15を既に積層し終えた膜電極接合体14の上に降ろす。以上の動作を繰り返し行うことで、膜電極接合体14とセパレータ15を交互に積層してなる燃料電池スタックが得られる。
「その他の実施の形態」
図11は衝撃吸収手段に使用したコイルバネに換えて空圧シリンダを使用した例のハンドリング装置の側面図である。
図11は衝撃吸収手段に使用したコイルバネに換えて空圧シリンダを使用した例のハンドリング装置の側面図である。
図11では、第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18にワークを突き当てたときの衝撃を吸収させるために使用したコイルバネ31、35に換えて空圧シリンダ42を使用している。空圧シリンダ42を使用することで、第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18から受けるワークへの衝撃を吸収することができ、当該ワークの損傷を回避することができる。
図12はワークを突き当て面に引き付けて密着させる引付け手段を突き当て部材に設けた積層装置の一例を示す平面図である。図12では、第1突き当て部材17と第2突き当て部材18のそれぞれの突き当て壁17A、18A、18Bに、ステンレスなどからなるセパレータ15を引き付けるための永久磁石43、44、45を埋設して設けてある。永久磁石43、44、45を突き当て壁17A、18A、18Bに埋め込むことで、その磁力によりセパレータ15をそれぞれの突き当て面19a、20a、20bに隙間無く密着させて位置決めさせることができる。
図13はワークを突き当て面に引き付けて密着させる引付け手段を突き当て部材に設けた積層装置の他の例を示す平面図である。図13では、第1突き当て部材17と第2突き当て部材18のそれぞれの突き当て壁17A、18A、18Bに、セパレータ15を引き付けるための電極46、47、48を埋設し、各電極46、47、48にそれぞれ直流電圧を印加する電圧発生装置49を接続している。
電圧発生装置49にて各電極46、47、48に直流電流を印加すると、電磁力が発生し、その電磁力が引付け力(吸着力)となってセパレータ15を第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18へと引き付ける。この積層装置を使用すれば、図13と同様、膜電極接合体14とセパレータ15間の積層位置ずれを防止することができる。
図14はワークを突き当て面に引き付けて密着させる引付け手段を突き当て部材に設けた積層装置のさらに他の例を示す平面図である。図14では、第2突き当て部材18の突き当て壁18A、18Bのそれぞれの突き当て面20a、20bに、高さ方向に沿って複数の吸引孔50を形成し、その吸引孔50からエアーを吸引することでセパレータ15及び膜電極接合体14を第2突き当て部材18に引き付けるように構成してある。図示は省略するが、第1突き当て部材17も同様、突き当て壁17Aの突き当て面19aに複数の吸引孔を形成してある。
各吸引孔50は、突き当て壁18Aの高さ方向に形成した長孔51に連通されると共に、突き当て壁18Aの側面から前記長孔51に連通する横穴52に接続されている。そして、横穴52には、図示を省略したバキューム装置に接続されるバキュームホース53が接続されるようになっている。
このように構成することで、バキューム装置でバキュームすると、バキュームホース53を介して複数の吸引孔50からエアーが吸引されることになり、そのエアー吸引によるバキューム力でセパレータ15及び膜電極接合体14を、第1突き当て部材17及び第2突き当て部材18の各突き当て面19a、20a、20bに引き付けることができる。そのため、この積層装置によれば、膜電極接合体14とセパレータ15とを積層位置ずれを生じさせることなく積層させることができる。
1…燃料電池スタック
2…燃料電池単セル
14…膜電極接合体
15…セパレータ
17…第1突き当て部材
17A、18A、18B…突き当て壁
18…第2突き当て部材
19a、20a、20b…突き当て面
22…引き込み手段
23…ハンドリング装置
24…搬送用ロボット
26…把持手段
31、35…コイルバネ(衝撃吸収手段)
43、44、45…永久磁石(引付け手段)
46、47、48…電極(引付け手段)
49…電圧発生装置(引付け手段)
50…吸引孔(引付け手段)
53…バキュームホース(引付け手段)
2…燃料電池単セル
14…膜電極接合体
15…セパレータ
17…第1突き当て部材
17A、18A、18B…突き当て壁
18…第2突き当て部材
19a、20a、20b…突き当て面
22…引き込み手段
23…ハンドリング装置
24…搬送用ロボット
26…把持手段
31、35…コイルバネ(衝撃吸収手段)
43、44、45…永久磁石(引付け手段)
46、47、48…電極(引付け手段)
49…電圧発生装置(引付け手段)
50…吸引孔(引付け手段)
53…バキュームホース(引付け手段)
Claims (4)
- 金属板からなるセパレータと膜電極接合体を交互に積層してなる燃料電池スタックの積層方法において、
前記セパレータ又は前記膜電極接合体を搬送用ロボットに取り付けた把持手段で把持した後、少なくとも2辺を積層装置の突き当て部材に突き当て、その突き当て部材に突き当てたときの衝撃を前記把持手段に設けた衝撃吸収手段で吸収しつつ前記膜電極接合体又は前記セパレータを前記突き当て部材に密着させて位置決めさせる
ことを特徴とする燃料電池スタックの積層方法。 - 金属板からなるセパレータと膜電極接合体の少なくとも2辺を突き当てる突き当て部材を有し、その突き当て部材の突き当て面にこれら膜電極接合体とセパレータを突き当てて、これら膜電極接合体とセパレータを交互に積層させる積層装置と、
搬送用ロボットに取り付けられ、前記セパレータ又は前記膜電極接合体を把持する把持手段と、把持したセパレータ又は膜電極接合体を前記突き当て部材に突き当てたときの衝撃を吸収する衝撃吸収手段とを有したハンドリング装置とを備えた
ことを特徴とする燃料電池製造用スタック装置。 - 請求項2に記載の燃料電池製造用スタック装置であって、
前記ハンドリング装置を引き込んで、前記把持手段で保持したセパレータ又は膜電極接合体を前記突き当て部材に密着させる引き込み手段を有した
ことを特徴とする燃料電池製造用スタック装置。 - 請求項2または請求項3に記載の燃料電池製造用スタック装置であって、
前記突き当て部材に設けられ、前記セパレータ又は前記膜電極接合体を前記突き当て面に引き付けて密着させる引付け手段を有した
ことを特徴とする燃料電池製造用スタック装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006112383A JP2007287436A (ja) | 2006-04-14 | 2006-04-14 | 燃料電池スタックの積層方法及び燃料電池製造用スタック装置 |
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