JP2008123760A - 燃料電池用セパレータ、燃料電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池用セパレータ、燃料電池の製造方法および製造装置を、提供する。
【解決手段】少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部１５１，１５６を有する燃料電池用セパレータ１５０である。セパレータ１５０は、前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレーム２１０，２２０を有する積重ね手段２００によって、積重ねられる。この際に、位置決め部１５１，１５６の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた位置決めフレーム２１０，２２０が、突き当てられることで、燃料電池用セパレータ１５０の面方向が規制される。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池の製造方法および製造装置に関する。

燃料電池は、セパレータおよび膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有する。セパレータおよび膜電極接合体は、交互に積重ねられて、セルを順次形成する（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開２００２−３６７６２４号公報 特開２００５−７９０２４号公報

しかし、積重ねの際におけるセパレータの位置決めは、セパレータに形成される位置決め穴に、位置決めピンを挿通することで、実施している。そのため、形成されるセルの全てに、位置決めピンが貫通しており、最上位のセルを除き、特定のセルのみを取り出すことができない。つまり、特定のセルを取り出すためには、最上位のセルから、特定のセルに隣接するセルまでを取り出すことが、必要となる。したがって、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルが１個であっても、取り出すための工数が大きく、リペア性に問題を有する。

また、多数のセルを形成する場合、位置決めピンが長尺となる。そのため、位置決めピンが位置決め穴に挿通された状態でのセパレータの移動距離が長くなり、作業性を向上させることが困難である。

さらに、位置決め穴をプラス公差とすることで、セパレータの変形（うねり）による位置決め穴位置のバラツキを吸収している。そのため、バックラッシュ（ｂａｃｋ−ｌａｓｈ）が発生し、アライメント精度が低下する虞がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池用セパレータ、燃料電池の製造方法および製造装置を、提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有する燃料電池用セパレータであって、
前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有する積重ね手段によって、積重ねされる際に、
前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームが、突き当てられることで、前記燃料電池用セパレータの面方向が規制される
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。

上記目的を達成するための請求項７に記載の発明は、
少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有するセパレータを、前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有する積重ね手段によって、積重ねる際に、
前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記セパレータの面方向を規制する
ことを特徴とする燃料電池の製造方法である。

上記目的を達成するための請求項１５に記載の発明は、
セパレータを積重ねるための積重ね手段を有し、
前記セパレータは、少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有しており、
前記積重ね手段は、前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有し、
積重ねの際において、前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記セパレータの面方向を規制する
ことを特徴とする燃料電池の製造装置である。

請求項１に記載の発明によれば、積重ねの際におけるセパレータの位置決めは、位置決めフレームを、セパレータに形成される位置決め部の開口を経由して、嵌込ませ、位置決め部の内面に突き当てることで、実施することができる。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、位置決め部の開口を経由して、位置決めフレームを取外すことが可能である。つまり、セパレータの位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。また、開口の存在により、位置決め部は、位置決めフレームの任意の位置で、嵌込むことが可能である。そのため、多数のセルを形成する場合、位置決めフレームが長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。さらに、位置決め部は、少なくとも互いに対向する２辺に配置されており、位置決めフレームは、主および副基準側として、セパレータの面方向を規制することが可能である。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。以上のように、リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池用セパレータを、提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、積重ねの際におけるセパレータの位置決めは、位置決めフレームを、セパレータに形成される位置決め部の開口を経由して、嵌込ませ、位置決め部の内面に突き当てることで、実施される。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、位置決め部の開口を経由して、位置決めフレームを取外すことが可能である。つまり、セパレータの位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。また、開口の存在により、位置決め部は、位置決めフレームの任意の位置で、嵌込むことが可能である。そのため、多数のセルを形成する場合、位置決めフレームが長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。さらに、位置決め部は、少なくとも互いに対向する２辺に配置されており、位置決めフレームは、主および副基準側として、セパレータの面方向を規制する。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。以上のように、リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池の製造方法を、提供することができる。

請求項１５に記載の発明によれば、積重ね手段は、位置決めフレームを、セパレータに形成される位置決め部の開口を経由して、嵌込ませ、位置決め部の内面に突き当てることで、セパレータを位置決めすることができる。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、位置決め部の開口を経由して、位置決めフレームを取外すことが可能である。つまり、セパレータの位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。また、開口の存在により、位置決めフレームは、任意の位置で、位置決め部の嵌込が可能である。そのため、多数のセルを形成する場合、位置決めフレームが長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。さらに、位置決め部は、少なくとも互いに対向する２辺に配置されており、位置決めフレームは、主および副基準側として、セパレータの面方向を規制することが可能である。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。以上のように、リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池の製造装置を、提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための斜視図である。

燃料電池１０は、複数のセルが積層されたスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、適用が好ましい。

スタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子３５，４５が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。

エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート７０は、燃料ガス（例えば、水素）、酸化剤ガス（例えば、酸素）および冷媒（例えば、冷却水）を流通させるために、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガス導入口７４、酸化剤ガス排出口７５、冷媒導入口７７、および冷媒排出口７８を有する。

スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０の四隅には、タイロッド９０が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド９０は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット（不図示）が螺合され、燃料電池１０を締結する。スタック形成のための荷重は、セルの積層方向に作用し、セルを押し圧状態に保持する。

タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、セル同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。

燃料電池１０の締結機構は、内部を延長するタイロッド９０を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッドを利用することも可能である。

図２は、図１に示されるスタック部を説明するための断面図、図３は、図２に示される電極集成体を説明するための平面図、図４は、図２に示される一方のセパレータを説明するための平面図、図５は、図３に示される第１穴部を説明するための平面図、図６は、図３に示される第２穴部を説明するための平面図、図７は、図２に示される他方のセパレータを説明するための平面図である。

スタック部２０は、セルを形成する電極集成体１００、セパレータ１５０，１７０が、順次積重ねられて構成される。なお、電極集成体１００、セパレータ１５０およびセパレータ１７０の間における外周縁部には、シール材（不図示）が配置される。

電極集成体１００は、膜電極接合体１１０およびガス拡散層１２０，１３０が一体化された略矩形のユニット組立体（アセンブリ）であり、セパレータ１５０，１７０と略同一形状である。電極集成体１００は、第１および第２穴部（位置決め部）１０１，１０６と、マニホールド部１４１，１４２，１４４，１４５，１４７，１４８を有する。第１および第２穴部１０１，１０６は、互いに対向する２辺（第１および第２辺）に配置され、外方に向いた開口を有する。マニホールド部１４１，１４２、マニホールド部１４４，１４５およびマニホールド部１４７，１４８は、燃料ガス用、酸化剤ガス用および冷媒用に適用される。

膜電極接合体１１０は、電解質膜と、電解質膜を挟んで配置されるカソード触媒層およびアノード触媒層とを有する。

電解質膜は、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、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。カソード触媒層は、電解質膜の一方の面に配置され、ガス拡散層１２０に隣接している。アノード触媒層は、電解質膜の他方の面に配置され、ガス拡散層１３０に隣接している。

カソード触媒層およびアノード触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。電極触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。

カソード触媒層に適用される触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。アノード触媒層に適用される触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。

電極触媒の高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。

ガス拡散層１２０，１３０は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、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ェルトから形成される。

次に、セパレータ１５０，１７０を説明する。

セパレータ１５０，１７０は、略矩形であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されており、ガス拡散層１２０，１３０の外面に配置される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。また、セパレータ１５０，１７０の素材として、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。

セパレータ１５０は、別のセルのセパレータ１７０に隣接しており、第１および第２穴部１５１，１５６、マニホールド部１６１，１６２，１６４，１６５，１６７，１６８、および凹凸部１６９を有し、ガス拡散層１２０に相対して配置される。第１および第２穴部１５１，１５６は、互いに対向する２辺（第１および第２辺）に配置され、外方に向いた開口を有する。

第１および第２穴部１５１，１５６は、内方から外方に向かって開口幅が縮小するハンガー形状を有し、その内面は、開放端１５２，１５７、開放端１５２，１５７と相対する内端辺１５４，１５９、および開放端１５２，１５７と内端辺１５４，１５９を連結している側方辺１５３，１５８を有する。開放端１５２，１５７は、内端辺１５４，１５９より小さい幅を有している。なお、電極集成体１００の第１および第２穴部１０１，１０６は、セパレータ１５０の第１および第２穴部１５１，１５６と同一の形状を有する。

セパレータ１５０が積重ねされる際、開放端１５２，１５７は、第１および第２穴部１５１，１５６に嵌込み自在の第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０（後述）を、挿入するために使用され、側方辺１５３，１５９に、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０が突き当てられる。

したがって、第１穴部１５１は、嵌込まれた第１位置決めフレーム２１０がその内面に突き当てられることで、セパレータ１５０のＸ−Ｙ位置を規制する。一方、第２穴部１５６は、嵌込まれた第２位置決めフレーム２２０がその内面に突き当てられることで、セパレータ１５０のθ方向を規制する。なお、Ｘ−Ｙ位置およびθ方向は、セパレータ１５０の面方向を規定する。

つまり、積重ねの際におけるセパレータ１５０の位置決めは、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０を、セパレータ１５０に形成される第１および第２穴部１５１，１５６の開放端１５２，１５７を経由して、嵌込ませ、第１および第２穴部１５１，１５６の内面に突き当てることで、実施することができる。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、開放端１５２，１５７を経由して、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０を取外すことが可能である。したがって、セパレータの位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。

また、開放端１５２，１５７の存在により、第１および第２穴部１５１，１５６は、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０の任意の位置で、嵌込むことが可能である。したがって、多数のセルを形成する場合、第１および第２位置決めフレームが長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。

さらに、第１および第２穴部１５１，１５６は、対向している両辺に配置されており、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０は、主および副基準側として、セパレータのＸ−Ｙ位置およびθ方向を規制することが可能である。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。

マニホールド部１６１，１６２、マニホールド部１６４，１６５およびマニホールド部１６７，１６８は、燃料ガス用、酸化剤ガス用および冷媒用に適用される。

ガス拡散層１２０に相対する凹凸部１６９の内面と、ガス拡散層１２０の表面により形成される空間Ｓ１は、酸化剤ガスを流通させるための流路を構成し、マニホールド部１６４，１６５を経由し、エンドプレート７０に配置される酸化剤ガス導入口７４および酸化剤ガス排出口７５に、接続されている。つまり、凹凸部１６９の内面は、酸化剤ガスを流通させるための流路溝を構成する。

セパレータ１７０は、セパレータ１５０と略同一形状であり、別のセルのセパレータ１５０に隣接しており、第１および第２穴部１７１，１７６、マニホールド部１８１，１８２，１８４，１８５，１８７，１８８、および凹凸部１８９を有し、ガス拡散層１３０に相対して配置される。第１および第２穴部１７１，１７６は、開放端１７２，１７７を有し、セパレータ１５０の第１および第２穴部１５１，１５６と同様であるため、その説明は繰り返さない。

マニホールド部１８１，１８２、マニホールド部１８４，１８５およびマニホールド部１８７，１８８は、燃料ガス用、酸化剤ガス用および冷媒用に適用される。

ガス拡散層１３０に相対する凹凸部１８９の内面と、ガス拡散層１３０の表面により形成される空間Ｓ２は、燃料ガスを流通させるための流路を構成し、マニホールド部１８１，１８２を経由し、エンドプレート７０に配置される燃料ガス導入口７１および燃料ガス排出口７２に、接続されている。つまり、凹凸部１６９の内面は、燃料ガスを流通させるための流路溝を構成する。

凹凸部１８９の外面と、隣接する別のセルのセパレータ１５０の外面により形成される空間Ｓ３は、冷媒を流通させるための流路を構成し、マニホールド部１８７，１８８を経由し、エンドプレート７０に配置される冷媒導入口７７および冷媒排出口７８に、接続されている。つまり、凹凸部１６９の外面は、冷媒を流通させるための流路溝を構成する。

なお、凹凸部１６９，１８８の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮し、適宜設定される。

図８は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造装置の第１および第２位置決めフレームを説明するための斜視図、図９は、図８に示される第１位置決めフレームの断面図、図１０は、図８に示される第２位置決めフレームの断面図である。

本製造装置は、セパレータを積重ねるための積重ね手段２００を有する。積重ね手段２００は、電極集成体１００、セパレータ１５０，１７０の長辺の長さに対応する距離を置いて配置される第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０を有する。第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０は、両端が支持体（不図示）に着脱自在に取付けられており、電極集成体１００の第１および第２穴部１０１，１０６、セパレータ１５０の第１および第２穴部１５１，１５６、および、セパレータ１７０の第１および第２穴部１７１，１７６に、開放端１０２，１０７，１５２，１５７，１７２，１７７を経由して嵌込み自在に設定されている。

電極集成体１００、セパレータ１５０，１７０の形状は、略同一であり、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０に適用される際において、動作、作用および効果は、同一のため、重複を避けるために、セパレータ１５０で代表させて、説明する。

第１位置決めフレーム２１０は、略矩形状断面を呈し、水平方向に延長する長辺２１４と、垂直方向に延長する短辺２１３を有する。長辺２１４の幅は、第１穴部１５１の内端辺１５４の幅より小さく、かつ、開放端１５２の幅より大きい。短辺２１３は、長辺２１４が第１穴部１５１に嵌込まれた際に、側方辺１５３に突き当てられるように設定されている。したがって、第１穴部１５１の側方辺１５３は、第１位置決めフレーム２１０の短辺２１３が突き当てられることによって、セパレータ１５０のＸ−Ｙ位置を規制することが可能である。

第２位置決めフレーム２２０は、略矩形状断面を呈し、水平方向に延長する短辺２２９と、垂直方向に延長する長辺２２８とを有する。短辺２２９の幅は、第２穴部１５６の開放端１５７の幅と、略一致している。長辺２２８は、短辺２２９が開放端１５７に挿入された際に、側方辺１５８に突き当てられるように設定されている。したがって、第２穴部１５６の側方辺１５８は、第２位置決めフレーム２２０の長辺２２８が突き当てられることによって、セパレータ１５０のθ方向を規制することが可能である。

なお、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４と第２位置決めフレーム２２０の短辺２２９との間の距離は、第１穴部１５１の内端辺１５４と第２穴部１５６の内端辺１５９との間の長さより大きく、かつ、第１穴部１５１の開放端１５２と第２穴部１５６の開放端１５７との間の長さより小さい。

以上のように、積重ね手段は、第１および第２位置決めフレームを、電極集成体およびセパレータに形成される第１および第２穴部の開放端を経由して、嵌込ませ、第１および第２穴部の内面に突き当てることで、電極集成体およびセパレータを位置決めすることができる。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、第１および第２穴部の開放端を経由して、第１および第２位置決めフレームを取外すことが可能である。つまり、電極集成体およびセパレータの位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。

また、開放端の存在により、第１および第２位置決めフレームは、任意の位置で、第１および第２穴部の嵌込が可能である。したがって、多数のセルを形成する場合、第１および第２位置決めフレームが長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。

さらに、第１および第２穴部は、対向している両辺に配置されており、第１および第２位置決めフレーム０は、主および副基準側として、電極集成体およびセパレータの面方向（Ｘ−Ｙ位置およびθ方向）を規制することが可能である。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。

次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明する。

本製造方法は、セパレータ１５０，１７０および電極集成体１００の積重ねを含んでいる。電極集成体１００は、積重ねられるセパレータ１５０，１７０の間に配置される。セパレータ１５０，１７０および電極集成体１００の積重ね方法は、同一のため、重複を避けるために、セパレータ１５０で代表させて、説明する。

本製造方法においては、セパレータ１５０を、積重ね手段２００によって、積重ねる際に、第１穴部１５１の内面に、開放端１５２を経由して嵌込まれた第１位置決めフレーム２１０を突き当てることで、セパレータ１５０のＸ−Ｙ位置を規制し、第２穴部１５６の内面に、開放端１５７を経由して嵌込まれた第２位置決めフレーム２２０を突き当てることで、電極集成体１００、セパレータ１５０のθ方向を規制する。

つまり、積重ねの際におけるセパレータ１５０の位置決めは、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０を、セパレータ１５０に形成される第１および第２穴部１５１，１５６の開放端１５２，１５７を経由して、嵌込ませ、第１および第２穴部１５１，１５６の内面に突き当てることで、実施される。そのため、積重ね完了後においても、突き当てを解除することで、開放端１５２，１５７を経由して、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０を取外すことが可能である。したがって、セパレータ１５０の位置決めの逆の動作により、積重ねの順番に係わらず、任意のセルのみ、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルのみを取り出すことが可能であり、良好なリペア性を発揮させることが可能である。

また、開放端１５２，１５７の存在により、第１および第２穴部１５１，１５６は、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０の任意の位置で、嵌込むことが可能である。したがって、多数のセルを形成する場合、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０が長尺となるが、作業性に対する影響を抑制することができる。

さらに、第１および第２穴部１５１，１５６は、少なくとも互いに対向する第１および第２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有しており、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０は、主および副基準側として、セパレータ１５０のＸ−Ｙ位置およびθ方向を規制する。そのため、位置決め穴に位置決めピンを挿通させる方式に比べ、バックラッシュが抑制され、アライメント精度を維持することが可能である。

次に、図１１〜図１６を参照し、本製造方法における積重ねを詳述する。

図１１は、セパレータの回転を説明するための正面図、図１２は、図１１に続く、第１位置決めフレームの挿入開始を説明するための正面図、図１３は、図１２に続く、第１位置決めフレームの挿入完了を説明するための正面図、図１４は、図１３に続く、セパレータの逆回転を説明するための正面図、図１５は、図１４に続く、第１穴部の突き当てを説明するための正面図である。

まず、セパレータ１５０を傾斜させ、第１穴部１５１を第１位置決めフレーム２１０の近傍に、第２穴部１５６を、第２位置決めフレーム２２０の近傍に、配置する。第１穴部１５１を中心として回転させることで、第１穴部１５１の開放端１５２を、第１位置決めフレーム２１０と位置合せする（図１１参照）。

セパレータ１５０を水平方向に移動させ、第１穴部１５１の側方辺１５３を、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４に沿ってスライドさせ（図１２参照）、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４あるいは短辺２１３を、第１穴部１５１の内端辺１５４あるいは側方辺１５３に当接させる（図１３参照）。これにより、第１穴部１５１は、第１位置決めフレーム２１０を内部に収容することとなる。

次に、セパレータ１５０を、第１穴部１５１つまり第１位置決めフレーム２１０を中心として逆回転させ（図１４参照）、セパレータ１５０の第２穴部１５６と第２位置決めフレーム２２０と位置合せする。

そして、セパレータ１５０の傾斜を解消する。その結果、第２穴部１５６の開放端１５７に、第２位置決めフレーム２２０の短辺２２９が挿入される。これは、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４と第２位置決めフレーム２２０の短辺２２９との間の距離が、第１穴部１５１の内端辺１５４と第２穴部１５６の内端辺１５９との間の長さより大きく、かつ、第１穴部１５１の開放端１５２と第２穴部１５６の開放端１５７との間の長さより小さためである。

その後、セパレータ１５０を直立させ、第１位置決めフレーム２１０の短辺２１３を、第１穴部１５１の側方辺１５３に突き当てる（図１５参照）。その結果、セパレータ１５０のＸ−Ｙ位置が規制される。これは、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４の幅は、第１穴部１５１の内端辺１５４の幅より小さく、かつ、開放端１５２の幅より大きく、かつ、短辺２１３は、長辺２１４が第１穴部１５１に嵌込まれた際に、側方辺１５３に突き当てられるように設定されているためである。

一方、第２穴部１５６の側方辺１５８は、第２位置決めフレーム２２０の長辺２２８が突き当てられる。その結果、セパレータ１５０のθ方向が規制される。これは、第２位置決めフレーム２２０の短辺２２９の幅は、第２穴部１５６の開放端１５７の幅と、略一致しており、かつ、長辺２２８は、短辺２２９が開放端１５７に挿入された際に、側方辺１５８に突き当てられるように設定されているためである。

次に、セパレータ１５０の取外しを説明する。

図１６は、セパレータの取外しにおける作業スペースの確保を説明するための斜視図、図１７は、図１６に続く、セパレータの回転を説明するための正面図、図１８は、図１７に続く、第１穴部の開放端の位置決めを説明するための正面図、図１９は、図１８に続く、スライド式移動を説明するための正面図、図２０は、図１９に続く、嵌合解除を説明するための正面図である。

取外しは、積重ねの完了後における出荷テストの際、例えば、電圧不良で修理を必要とするセルが検出された場合に実施され、概して、積重ねの逆の動作からなる。

まず、対象となるセパレータ１５０を取外すための作業スペースを、確保する。作業スペースは、隣接するセパレータ１７０および電極集成体１００を、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０に沿って、セパレータ１５０から離間させることで、形成される（図１６参照）。

そして、セパレータ１５０の第１穴部１５１の内端辺１５４を、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４に近接させ、第１穴部１５１と第１位置決めフレーム２１０との突き当てを解消する。これにより、セパレータ１５０を傾斜させることが可能となる。

その後、セパレータ１５０を傾斜させる。その際、セパレータ１５０の第２穴部１５６と第２位置決めフレーム２２０との突き当て嵌合状態が解消するまで、第２穴部１５６の側方辺１５８を、第２位置決めフレーム２２０の長辺２２８に沿って移動させる。これにより、セパレータ１５０は、第１穴部１５１を中心として回転が可能となる。

次に、第１位置決めフレーム２１０つまり第１穴部１５１を中心に、セパレータ１５０を回転させ（図１７参照）、第１穴部１５１の開放端１５２を、第１位置決めフレーム２１０と位置合せする（図１８参照）。

第１穴部１５１の側方辺１５３を、第１位置決めフレーム２１０の長辺２１４に沿ってスライドさせながら（図１９参照）、セパレータ１５０を水平方向に移動させ、第１穴部１５１と第１位置決めフレーム２１０の嵌合を解除する（図２０参照）。これにより、セパレータ１５０が取外される。

なお、第１および第２位置決めフレーム２１０，２２０の長さは、積重ねの完了後かつプレス前における積重ね高さより、２００ｍｍ程度長く設定されている。これは、取外しの際における作業スペースの確保を容易とするためである。

また、セパレータ１７０および電極集成体１００の場合の取外し動作は、セパレータ１５０の場合と同様であるため、その説明は、省略する。

図２１および図２２は、本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための平面図および断面図である。

変形例１に係るセパレータ１５０の第２穴部１５６は、第２位置決めフレームを誘導するためのガイド手段１９０を有する。セパレータ１５０，１７０の形状は、略同一であるため、重複を避けるために、セパレータ１７０の説明は、省略する。

ガイド手段１９０は、開放端１５７に向かって延長している傾斜面１９２および第２穴部１５に誘導される第２位置決めフレームに対し、マイナス公差で形成されているかしめ部１９４を有する。

したがって、第２位置決めフレームは、傾斜面１９２によって誘導され、第２穴部１５６に配置される。つまり、第２穴部１５６と第２位置決めフレームの突き当てを、円滑に実施することが可能である。

また、かしめ部１９４の存在により、ガイド手段１９０は、第２位置決めフレームを誘導する際、着脱自在にかしめる。そのため、セパレータ１５０は、バックラッシュを生じることなく、位置決めされる。また、セパレータ１５０がうねりを有する場合であっても、平面に倣った状態で位置決めして保持できるため、後工程におけるプレス時のセパレータ１５０の移動を抑制することが可能である。

なお、ガイド手段１９０の高さ（傾斜面１９２の頂面の高さ）は、流路溝を構成する凹凸部１６９の凸部の頂面の高さより低くなるように設定されている。そのため、隣接する電極集成体１００およびセパレータ１７０との干渉が、避けられる。

図２３は、本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための斜視図である。

出荷テスト完了後においては、第１および第２穴部の役割は、終了している。したがって、例えば、ダイヤモンドカッタなどの切断手段を上記製造装置に配置し、バンドなどの締結手段２３０によって固定された積重ね状態で、第１および第２穴部が配置されているセパレータ部位を。除去することが可能である。この場合、デッドスペースが削減されるため、出力密度および外寸精度が、向上する。

図２４〜図２６は、本発明の実施の形態に係る変形例４〜６を説明するための断面図ある。

第１位置決めフレーム２１０の断面形状は、略矩形状に限定されず、例えば、半円状（図２４）、逆Ｔ字状（図２５）、Ｈ字状（図２６）とすることも可能である。

以上のように、本実施の形態は、リペア性、アライメント精度および作業性に優れた燃料電池用セパレータ、燃料電池の製造方法および製造装置を、提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、燃料電池は、固体高分子型に限定されず、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、マイクロ燃料電池に、適用可能である。また、電極集成体用に、独立した積重ね手段を設けたり、電極集成体の形状を、セパレータの形状と異ならせたりすることも可能である。さらに、電極集成体を、セパレータと一体化することも可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための斜視図である。 図１に示されるスタック部を説明するための断面図である。 図２に示される電極集成体を説明するための平面図である。 図２に示される一方のセパレータを説明するための平面図である。 図３に示される第１穴部を説明するための平面図である。 図３に示される第２穴部を説明するための平面図である。 図２に示される他方のセパレータを説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造装置の第１および第２位置決めフレームを説明するための斜視図である。 図８に示される第１位置決めフレームの断面図である。 図８に示される第２位置決めフレームの断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法における積重ねを説明するための正面図であり、セパレータの回転を示している。 図１１に続く、第１位置決めフレームの挿入開始を説明するための正面図である。 図１２に続く、第１位置決めフレームの挿入完了を説明するための正面図である。 図１３に続く、セパレータの逆回転を説明するための正面図である。 図１４に続く、第１穴部の突き当てを説明するための正面図である セパレータの取外しにおける作業スペースの確保を説明するための斜視図である。 図１６に続く、セパレータの回転を説明するための正面図である。 図１７に続く、第１穴部の開放端の位置決めを説明するための正面図である。 図１８に続く、スライド式移動を説明するための正面図である。 図２０は、図１９に続く、嵌合解除を説明するための正面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例５を説明するための断面図である。￥

符号の説明

１０・・燃料電池、
２０・・スタック部、
３０，４０・・集電板、
３５，４５・・出力端子、
５０，６０・・絶縁板、
７０，８０・・エンドプレート、
７１・・燃料ガス導入口、
７２・・燃料ガス排出口、
７４・・酸化剤ガス導入口、
７５・・酸化剤ガス排出口、
７７・・冷媒導入口、
７８・・冷媒排出口、
９０・・タイロッド、
１００・・電極集成体、
１０１・・第１穴部、
１０２・・開放端、
１０６・・第２穴部、
１０７・・開放端、
１１０・・膜電極接合体、
１２０，１３０・・ガス拡散層、
１４１，１４２，１４４，１４５，１４７，１４８・・マニホールド部、
１５０・・セパレータ、
１５１・・第１穴部、
１５２・・開放端、
１５３・・側方辺、
１５４・・内端辺、
１５６・・第２穴部、
１５７・・開放端、
１５８・・側方辺、
１５９・・内端辺、
１６１，１６２，１６４，１６５，１６７，１６８・・マニホールド部、
１６９・・凹凸部、
１７０・・セパレータ、
１７１・・第１穴部、
１７２・・開放端、
１７６・・第２穴部、
１７７・・開放端、
１８１，１８２，１８４，１８５，１８７，１８８・・マニホールド部、
１８９・・凹凸部、
１９０・・ガイド手段、
１９２・・傾斜面、
１９４・・かしめ部、
２００・・積重ね手段、
２１０・・第１位置決めフレーム、
２１３・・短辺、
２１４・・長辺、
２２０・・第２位置決めフレーム、
２２８・・長辺、
２２９・・短辺、
２３０・・締結手段２３０、
ＭＥＡ・・膜電極接合体、
Ｓ１〜Ｓ３・・空間。

Claims (22)

1. 少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有する燃料電池用セパレータであって、
   前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有する積重ね手段によって、積重ねされる際に、
   前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームが、突き当てられることで、前記燃料電池用セパレータの面方向が規制される
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記位置決め部は、内方から外方に向かって開口幅が縮小するハンガー形状を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記位置決め部の一方は、前記位置決めフレームの一方を誘導するためのガイド手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記ガイド手段は、前記開口に向かって延長している傾斜面を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記ガイド手段は、前記位置決め部の一方に誘導される前記位置決めフレームの一方に対し、マイナス公差で形成されているかしめ部を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 燃料ガス、酸化剤ガスあるいは冷媒を流通させるための流路溝を有し、
   前記ガイド手段の高さは、前記流路溝の凸部の高さより低いことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
7. 少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有するセパレータを、前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有する積重ね手段によって、積重ねる際に、
   前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記セパレータの面方向を規制する
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 前記位置決め部は、内方から外方に向かって開口幅が縮小するハンガー形状を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
9. 前記位置決めフレームの一方を、前記位置決め部の一方に配置されるガイド手段によって誘導し、前記位置決め部の一方に配置することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の燃料電池の製造方法。
10. 前記ガイド手段は、前記開口に向かって延長している傾斜面を有し、
    前記傾斜面は、前記位置決めフレームの一方を、前記開口に誘導することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記ガイド手段は、前記位置決め部の一方に誘導される前記位置決めフレームの一方に対し、マイナス公差で形成されているかしめ部を有し、
    前記かしめ部は、前記位置決めフレームの一方を、着脱自在にかしめることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
12. 前記セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガスあるいは冷媒を流通させるための流路溝を有し、
    前記ガイド手段の高さは、前記流路溝の凸部の高さより低いことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池の製造方法。
13. 前記位置決め部が配置されているセパレータ部位を、積重ね完了後において、切断することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
14. 前記燃料電池は、膜電極接合体およびガス拡散層が一体化された電極集成体を有し、
    前記電極集成体の形状は、前記セパレータの形状と略一致しており、
    前記電極集成体の位置決め部の内面に、前記位置決め部の開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記電極集成体の面方向を規制する
    ことを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
15. セパレータを積重ねるための積重ね手段を有し、
    前記セパレータは、少なくとも互いに対向する２辺に配置されかつ外方に向いた開口を有する位置決め部を有しており、
    前記積重ね手段は、前記開口を経由して嵌込まれることによって前記燃料電池用セパレータを位置決めするための位置決めフレームを有し、
    積重ねの際において、前記位置決め部の内面に、前記開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記セパレータの面方向を規制する
    ことを特徴とする燃料電池の製造装置。
16. 前記位置決め部は、内方から外方に向かって開口幅が縮小するハンガー形状を有することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池の製造装置。
17. 前記位置決め部の一方は、前記位置決めフレームの一方を誘導するためのガイド手段を有し、
    前記位置決めフレームの一方は、前記ガイド手段によって誘導され、前記位置決め部の一方に配置されることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の燃料電池の製造装置。
18. 前記ガイド手段は、前記開口に向かって延長している傾斜面を有することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池の製造装置。
19. 前記ガイド手段は、前記位置決め部の一方に誘導される前記位置決めフレームの一方に対し、マイナス公差で形成されているかしめ部を有することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池の製造装置。
20. 前記セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガスあるいは冷媒を流通させるための流路溝を有し、
    前記ガイド手段の高さは、前記流路溝の凸部の高さより低いことを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の燃料電池の製造装置。
21. 前記位置決め部が配置されているセパレータ部位を、積重ね完了後において切断するための切断手段を有することを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。
22. 前記燃料電池は、膜電極接合体およびガス拡散層が一体化された電極集成体を有し、
    前記電極集成体の形状は、前記セパレータの形状と略一致しており、
    前記積重ね手段は、積重ねの際において、前記電極集成体の位置決め部の内面に、前記位置決め部の開口を経由して嵌込まれた前記位置決めフレームを、突き当てることで、前記電極集成体の面方向を規制する
    ことを特徴とする請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。

Images