JP2008234906A - 燃料電池スタックならびにその製造方法と検査方法 - Google Patents

燃料電池スタックならびにその製造方法と検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】発電体とセパレータとを積層して構成される燃料電池において、その積層ズレを検出する技術を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、複数の発電体と、複数の発電体の各々と交互に積層された複数のセパレータとを備える。複数のセパレータと複数の発電体の少なくとも一方には、積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されている。複数の貫通穴の少なくとも一部は、燃料電池の外部から貫通穴が視認可能に形成された特定の貫通穴である。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池の構造とその製造方法に関する。
従来から、車両に搭載可能な燃料電池の構造として、複数の発電体と、複数のセパレータとを交互に積層した構成が提案されている。このような積層においては、発電体とセパレータの位置関係を高い精度で維持して燃料ガスや冷却媒体の流路を確保することが望まれている。このような要請に対して、たとえば特許文献1〜4に開示されるように発電体とセパレータとに連通する貫通穴を設けてピンを通すことによって位置関係を高い精度で維持する方法も提案されている。一方、積層の作業性の向上を目的として、レーザービームを用いて燃料電池スタックの積層厚さを検知し、この検知によって燃料電池スタックの昇降を制御させる方法も提案されている。
特開2005−296746号公報 特開2005−79024号公報 特開2005−166420号公報 特開平9−134734号公報 特開2005−142051号公報
しかし、たとえば貫通穴にピンを通す方法では、ピンの剛性確保の観点から貫通穴の径を小さくすることができないため、その貫通穴の形成に起因して燃料電池が大型化するという問題があった。さらに、貫通穴にピンを通す方法では、ピンを抜いて積層した後に積層方向に圧縮締結する過程において積層状態にズレが生じた場合に、そのズレを検出することができないという問題も有していた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、発電体とセパレータとを積層して構成される燃料電池において、その積層ズレを検出する技術を提供することを目的とする。
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、
複数の発電体と、
前記複数の発電体の各々と交互に積層された複数のセパレータと、
を備え、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から前記貫通穴が視認可能に形成された特定の貫通穴である。
本発明の燃料電池スタックでは、複数のセパレータと複数の発電体の少なくとも一方には積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、その少なくとも一部が燃料電池の外部から視認可能に形成された特定の貫通穴なので、この燃料電池スタックの内部における貫通穴への光の透過状態を外部から観測することができる。これにより、積層位置のズレを生じさせている発電体あるいはセパレータの特定を容易にすることができる。
上記燃料電池スタックにおいて、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴であっても良い。こうすれば、比較的に大きな径を有する方向と比較的に小さな径を有する方向とを有する長穴の特性を利用して、比較的に大きな径を有する方向への積層ズレによる光の閉塞を抑制して、小さな径を有する方向への積層ズレを高精度に検出することができる。
上記燃料電池スタックにおいて、
前記特定の貫通穴は、前記複数のセパレータのみに形成されていても良い。外部から視認可能に形成された特定の貫通穴は、加工性の観点から発電体よりもセパレータの方が容易に形成可能であるという利点がある。
本発明は、さらに、燃料電池スタックの製造方法を提供する。この製造方法は、
複数のセパレータと複数の発電体とを準備する準備工程と、
前記複数の発電体の各々と前記複数のセパレータの各々とを交互に積層する積層工程と、
を備え、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成する工程を含み、
前記積層工程は、
前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を所定の積層位置に配置する第1の工程と、
前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第2の工程と、
前記通過光の光量が予め設定された量よりも多いことを確認する第3の工程と、
前記通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、前記通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように前記積層位置を変更する第4の工程と、
を含む。
本発明の製造方法では、通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように積層位置が変更されるので、積層位置のズレを確認しつつ積層位置を決定することができる。
上記製造方法において、
前記複数の貫通穴は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴であり、
前記積層工程は、さらに、
前記長穴の連通穴に光を通過させる工程と、
前記積層位置の移動に応じた前記通過光の光量変化に基づいて、前記連通する長穴の比較的に小さな径の方向について前記積層位置を決定する工程と、
を含むようにしてもよい。
こうすれば、連通する貫通穴を通過した光の光量の積層位置の移動に応じた変化に基づいて、連通する長穴の比較的に小さな径の方向について積層位置を決定することができるので、見通しの良い決定操作を行うことができる。このような見通しの良い決定操作は、自動化を顕著に容易化することができる。
本発明は、さらに、複数の発電体と前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータとを備えた燃料電池スタックの検査方法を提供する。この検査方法は、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から視認可能に形成された特定の貫通穴であり、
前記検査方法は、
前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第1の工程と、
前記通過光の光量に基づいて前記積層位置のズレを検出する第2の工程と、
を含む。
このような検査方法は、たとえば車両の事故その他の事情で衝撃を受けたときにも燃料電池スタックを分解することなくズレを確認することができるという利点を有しているとともに、燃料電池スタックの運用中にも検査を行うことも可能である。
上記検査方法において、
前記第1の工程は、前記複数の発電体と前記複数のセパレータのうち前記積層位置のズレが発生している前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を、前記特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定する工程を含むようにしてもよい。こうすれば、複数の発電体と複数のセパレータのうち積層位置のズレが発生しているものを特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定することができるので、単にズレが発生していることだけでなく、何処でズレが発生しているかも特定するための情報をも与えることができる。
このような製造方法や検査方法では、レーザー光を利用して各プレート200、300、510、520の積層状態を確認することができるので、各プレート200、300、510、520の相互間について予め設定された位置関係の許容誤差に基づいて、たとえば1ミリ以下の穴径を設定することができる。これにより、従来採用されていたようなピンの剛性によって、各プレート200、300、510、520の相互間の位置ズレを制限する方法のように、貫通穴の穴径を十分な剛性を有するピンを通過させるほどに大きくする必要(たとえば数ミリのオーダー)がないので、各プレート200、300、510、520のサイズを小さくすることができる。
なお、本発明は、燃料電池スタック、燃料電池組立方法、燃料電池組立装置その他の種々の態様で実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.本発明の第1実施例における燃料電池スタックの積層方法:
B.本発明の第2実施例における燃料電池スタックの積層方法:
C.変形例:
A.本発明の第1実施例における燃料電池スタックの積層方法:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池スタック1000の構成を示す説明図である。燃料電池スタック1000は、本実施例では、水素ガスや空気、冷却水といった流体の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池であり、車両(図示せず)への搭載も可能である。燃料電池スタック1000は、複数のセパレータ200と複数の発電体300とを相互に積層し、これを上端と下端に配置されたエンドプレート510、520によって挟持することによって構成されている。
図1には、単一のセパレータ200と単一の発電体300とを備える積層ユニット1100の拡大図も示されている。セパレータ200は、3枚の金属(例えば、ステンレス)の薄板、すなわち、カソードプレート210と、中間プレート220と、アノードプレート230とを積層して形成される三層積層型セパレータとして構成されている。一方、発電体300は、電解質膜(図示せず)と、電解質膜のアノード側の面に接して配置されたアノード側電極340と、電解質膜のカソード側の面に接して配置されたカソード側電極(図示せず)を備えている。
セパレータ200と発電体300とには、燃料ガスとしての水素や空気、冷媒としての水といった流体を流すための流路を形成するためのマニホールド10hin、10hout、10ain、10aout、10win、10woutが形成されている。水素吸入マニホールド10hinは、複数の発電体300の全てに水素ガスが供給できるように、複数の発電体300および複数のセパレータ200の全てに連通するように構成されている。水素排出マニホールド10hout、空気吸入マニホールド10ain、空気排出マニホールド10aout、水吸入マニホールド10win、および水排出マニホールド10woutのいずれもが複数の発電体300および複数のセパレータ200の全てに連通するように構成されている。
このようにして連通によって形成される各マニホールドにおいて、発電体300には、発電体300とセパレータ200との間の接合面における流体の漏洩を抑制するためのシールリブ320rbを備えている。ただし、このような漏洩の抑制には、発電体300とセパレータ200との位置関係が高精度に維持されることが要請される。さらに、セパレータ200が備えるカソードプレート210と、中間プレート220と、アノードプレート230との相互の位置関係についてもセパレータ200の内部の流路(図示せず)の形成の要請から相互の位置関係が高精度に維持されることが要請される。
このように、燃料電池スタック1000の構成において、発電体300やセパレータ200の相互の位置関係、さらには発電体300やセパレータ200の構成部品の相互の位置関係についてもが高精度に維持されることが要請される。一方、このようなズレ(相互の位置関係の誤差)を許容するような設計とすると、燃料電池スタック1000が大型化する要因となる。
図2は、このようなズレを抑制するための2個のレーザー光用貫通穴を示す説明図である。レーザー光は、2個のレーザー光発信器610a、620aの各々から射出され、2個のレーザー光用貫通穴の各々を貫通して2個のレーザー光受信器610b、620bの各々に受信される。
2個のレーザー光用貫通穴は、セパレータ200に形成された3個の貫通穴211、221、231と、発電体300に形成された貫通穴301(図1)とから形成される第1貫通穴と、セパレータ200に形成された3個の貫通穴212、222、232と、発電体300に形成された貫通穴302(図1)とから形成される第2貫通穴と、から構成されている。第1貫通穴と第2貫通穴とは、相互に対角線上の位置に形成されている。このような位置に形成されているのは、他の部位と比較してズレ(特に回転ズレ)を大きく検出できる位置だからである。
第1貫通穴を形成する4個の貫通穴211、221、231、301の各々と、第2貫通穴を形成す4個の貫通穴212、222、232、302の各々と、はいずれも予め設定された相互の位置関係の許容誤差に基づいて穴径を設定することができる。たとえば許容誤差を小さくするためには穴径を小さくすればよく、許容誤差を大きくするためには穴径を大きくすれば良い。
図3は、本実施例の外部から観察可能な貫通穴221、222を示す拡大図である。第1貫通穴の貫通穴221や第2貫通穴の貫通穴222については、本図と図2の矢視AAから分かるように、燃料電池スタック1000の外部から見えるように形成されている。このように外部から見えるように貫通穴221、222が形成されているのは、燃料電池スタック100の内部におけるレーザー光の貫通状態が燃料電池スタック1000の外部から確認できるようにするためである。
図4は、本実施例の燃料電池スタック積層工程のルーチンを示す説明図である。本実施例では、図示しない産業用ロボットがセパレータ200と発電体300とを交互に積層して燃料電池スタック1000を製造するものとする。
ステップS100では、所定数のセパレータ200と発電体300とが準備される。セパレータ200や発電体300は、サブアッセンブリーとして組み立てられたものであっても良い。具体的には、たとえばカソードプレート210と、中間プレート220と、アノードプレート230とが別個に準備されていても良いし、セパレータ200として予め組み立てられたものとして準備されていても良い。
ステップS200では、下端に配置されたエンドプレート520の上側に最初の発電体300を積層する。発電体300の積層は、発電体300を構成する複数のプレート(図示せず)を順に積層するようにしても良いし、あるいは予め組み立てられた発電体300を積層するようにしても良い。この点は、セパレータ200の積層についても同様である。
ステップS300では、2個のレーザー光発信器610a、620aの各々から第1貫通穴と第2貫通穴とにレーザー光が射出される。レーザー光の射出は、発電体300やセパレータ200の積層毎に実行しても良いし、あるいはカソードプレート210や中間プレート220と、アノードプレート230といったプレート毎に実行しても良い。
ステップS400では、2個のレーザー光受信器610b、620bの各々で光量が計測される。光量の計測を行った結果、いずれか一方の光量が予め設定された閾値を超えなかった場合には、最初に積層された発電体300の位置が修正されるとともに、処理がステップS300に戻される(ステップS410)。一方、双方の光量が予め設定された閾値を超えた場合には、予め設定された積層数に到達するまで処理がステップS200に戻される(ステップS500)。
ステップS200では、セパレータ200が積層されて、レーザー光照射(ステップS300)、光量計測(ステップS400)、および位置修正(ステップS410)の処理に進められる。このように、セパレータ200と発電体300とを交互に積層して所定数のプレート200、300が積層されたら最後にエンドプレート510が積層された後に処理がステップS600に進められる(ステップS500)。
ステップS600では、締結処理が行われる。締結処理とは、機械的に燃料電池スタック1000を固定する処理である。ステップS700では、ステップS300のレーザー光照射と同様にレーザー光照射が行われ、光量が確認される。これにより、締結処理に起因したセパレータ200や発電体300、エンドプレート510、520といった各プレートの積層のズレが許容範囲内であることを確認することができる。
このように、本実施例では、レーザー光を利用して各プレート200、300、510、520の積層状態を確認することができるので、各プレート200、300、510、520の相互間について予め設定された位置関係の許容誤差に基づいて、たとえば1ミリ以下の穴径を設定することができる。これにより、従来採用されていたようなピンの剛性によって、各プレート200、300、510、520の相互間の位置ズレを制限する方法のように、貫通穴の穴径を十分な剛性を有するピンを通過させるほどに大きくする必要(たとえば数ミリのオーダー)がないので、各プレート200、300、510、520のサイズを小さくすることができる。
本実施例では、前述のように貫通穴221、222が外部から見えるように形成されているので、さらに以下のような利点をも有している。ステップS700の光量計測において、第1貫通穴と第2貫通穴を通過する光量のいずれかが所定の閾値を超えなかった場合には、所定の閾値を超えなかった側の貫通穴221、222について燃料電池スタック1000の内部におけるレーザー光の通過状態を確認することができる。
たとえば第1貫通穴についてのみ光量が閾値を下回った場合には、セパレータ200毎が有する貫通穴221の各々についてレーザー光の通過状態(散乱状態)を、たとえば黙視によって確認し、これにより、どのセパレータ200まで十分なレーザー光が通過しているかを特定することができる。
このように、本実施例では、積層された複数のセパレータ200のうちいずれにズレがあるかを特定することができるという利点もある。なお、本実施例では、貫通穴221と貫通穴222とが特許請求の範囲における「特定の貫通穴」に相当する。また、「外部から視認可能に」とは、外部からレーザー光の貫通状態が分かるように構成されていればよく、たとえば透明体(図示せず)が勘合されていて外部に光が漏れるように構成されていても良い。
B.本発明の第2実施例における燃料電池スタックの積層方法:
図5は、本発明の第2実施例における貫通穴212、211aを示す説明図である。第2実施例は、2個の貫通穴212、211aの各々が相違する役割を有している点で第1実施例と相違する。貫通穴212は、各プレート200、300、510、520の並進方向(X方向乃至Y方向)のズレを検出する役割を有している。一方、貫通穴211aは、方位α(向き)のズレを検出する役割を有している。
第2実施例では、たとえば、最初に貫通穴212を利用して各プレート200、300、510、520の並進方向の位置を調整し、最後に貫通穴211aを利用して各プレート200、300、510、520の向きを調整することによって積層時の位置合わせを行うことができる。
本実施例は、特に産業用ロボット(図示せず)等を利用して積層工程の自動化を行う際に、その実現を顕著に容易化することができるという利点がある。
なお、複数の貫通穴の各々に相違する役割を持たせる方法は、並進方向と角度への分担だけでなく、X方向とY方向への分担も可能である。たとえば第2実施例の変形例(図6)では、X方向のズレは貫通穴211bを利用して検出し、Y方向のズレは貫通穴211cを利用して検出するようにして構成されている。
貫通穴211bがX方向のズレを高感度で検出できるのは、X方向に短くY方向に長い長穴として形成されているので、Y方向へのズレでは光量変化が小さくX方向へのズレで光量が顕著に変化するからである。一方、貫通穴211cがY方向のズレを高感度で検出できるのは、Y方向に短くX方向に長い長穴として形成されているので、X方向へのズレでは光量変化が小さくY方向へのズレで光量が顕著に変化するからである。
また、4個の貫通穴212、211a、211b、211cは、現実のズレの発生状態や産業用ロボットの特性を考慮して複数の貫通穴を任意に組み合わせて利用することができる。
C.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
C−1.上記実施例では、位置ズレの検出にレーザー光を使用しているが、必ずしもレーザー光である必要はない。ただし、レーザー光であれば平行性や指向性、高い強度、単一波長といった計測に有利な特徴を利用可能という利点がある。
C−2.上記実施例では、位置決め用のピンを使用することなく、積層処理を行っているが、たとえばピンとレーザー光の検出とを併用するようにしても良い。このようにしてもピンの本数を減らすことができるので、燃料電池スタックの小型化を実現することができる。
C−3.上記実施例では、貫通穴221、222への光の通過状態の確認の方法は、貫通穴221、222における光の散乱で簡易に確認しているが、たとえば光量検出用プローブ(図示せず)あるいは光の拡散や反射によって外部に光を取り出し可能なプローブ(図示せず)を利用して、光の到達の確認や光量の計測を行うようにしても良い。
C−4.上記実施例では、複数のセパレータと複数の発電体の双方に相互に連通する複数の貫通穴が形成されているが、たとえば図7に開示されるように発電体300aを介することなくセパレータ200aと、セパレータ200bとが直接接合される領域が存在する場合には、複数のセパレータにのみ相互に連通する複数の貫通穴220a、220bを設けるようにしても良い。逆に、たとえばセパレータを介することなく発電体同士が直接接合される領域が存在する場合には、複数の発電体にのみ相互に連通する複数の貫通穴を設けるようにしても良い。本発明では、一般に、複数のセパレータと複数の発電体の少なくとも一方に積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されていればよい。
本発明の第1実施例の燃料電池スタック1000の構成を示す説明図。 第1実施例のレーザー光用貫通穴を示す説明図。 第1実施例の外部から観察可能な貫通穴221、222を示す拡大図。 本実施例の燃料電池スタック積層工程のルーチンを示す説明図。 本発明の第2実施例における貫通穴211、211aを示す説明図。 本発明の第2実施例の変形例における貫通穴211b、211cを示す説明図。 本発明の積層状態の変形例を示す説明図。
符号の説明
200…セパレータ
200…プレート
200毎…セパレータ
210…カソードプレート
211、211a、211b、211c、212、221、222、301、302…貫通穴
220…中間プレート
230…アノードプレート
300…発電体
320rb…シールリブ
340…アノード側電極
510、520…エンドプレート
610a…レーザー光発信器
610b…レーザー光受信器
1000…燃料電池スタック
1100…積層ユニット

Claims (7)

  1. 燃料電池スタックであって、
    複数の発電体と、
    前記複数の発電体の各々と交互に積層された複数のセパレータと、
    を備え、
    前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
    前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から前記貫通穴が視認可能に形成された特定の貫通穴である燃料電池スタック。
  2. 請求項1記載の燃料電池スタックであって、
    前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴である燃料電池スタック。
  3. 請求項1または2に記載の燃料電池スタックであって、
    前記特定の貫通穴は、前記複数のセパレータのみに形成されている燃料電池スタック。
  4. 燃料電池スタックの製造方法であって、
    複数のセパレータと複数の発電体とを準備する準備工程と、
    前記複数の発電体の各々と前記複数のセパレータの各々とを交互に積層する積層工程と、
    を備え、
    前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成する工程を含み、
    前記積層工程は、
    前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を所定の積層位置に配置する第1の工程と、
    前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第2の工程と、
    前記通過光の光量が予め設定された量よりも多いことを確認する第3の工程と、
    前記通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、前記通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように前記積層位置を変更する第4の工程と、
    を含む製造方法。
  5. 請求項4記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
    前記複数の貫通穴は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴であり、
    前記積層工程は、さらに、
    前記長穴の連通穴に光を通過させる工程と、
    前記積層位置の移動に応じた前記通過光の光量変化に基づいて、前記連通する長穴の比較的に小さな径の方向について前記積層位置を決定する工程と、
    を含む製造方法。
  6. 複数の発電体と前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータとを備えた燃料電池スタックの検査方法であって、
    前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
    前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から視認可能に形成された特定の貫通穴であり、
    前記検査方法は、
    前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第1の工程と、
    前記通過光の光量に基づいて前記積層位置のズレを検出する第2の工程と、
    を含む検査方法。
  7. 請求項6記載の燃料電池スタックの検査方法であって、
    前記第2の工程は、前記複数の発電体と前記複数のセパレータのうち前記積層位置のズレが発生している前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を、前記特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定する工程を含む検査方法。
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