JP2008257923A - 燃料電池、燃料電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

燃料電池、燃料電池の製造方法および製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】単セル積層体における偏荷重の発生および変形が抑制された燃料電池、単セル積層体における偏荷重の発生および変形を容易に抑制することができる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】膜電極接合体140の両面をセパレータ150,170により挟持されてなる単セル100を複数積層した積層体を形成するためのスタック工程、および、積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結工程を有しており、セパレータ150,170は、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、スタック工程において、セパレータ150,170の一部については、対称中心に関して180度向きが反転している。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池、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、多数の単セルを積層して形成される積層体を有する。積層体は、締結されており、面圧が付与されている。積層体に含まれるセパレータは、厚み誤差を有するため、面圧の局所的なバラツキ(偏荷重)が生じる。偏荷重は、積層体を変形させるため、周辺部品とのクリアランスが必要になる。また、過大な偏荷重は、発電性能の低下あるいはセパレータの破損に繋がる。
そのため、積層体の中間位置に中間プレートを配置することで、積層体の変形を抑制している(例えば、特許文献1参照。)。
特開2002−151135号公報
しかし、中間プレートは、タイロッドのガイドと連携し、積層体の変形を抑えこんでいるにすぎず、偏荷重の発生を抑制することは困難である。
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、単セル積層体における偏荷重の発生および変形が抑制された燃料電池、単セル積層体における偏荷重の発生および変形を、容易に抑制することができる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、
膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を有し、
前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転していることを特徴とする燃料電池である。
上記目的を達成するための請求項3に記載の発明は、
膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を有し、
前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、反転している
ことを特徴とする燃料電池である。
上記目的を達成するための請求項8に記載の発明は、
膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を形成するためのスタック工程、および、
前記積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結工程を有しており、
前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、
前記スタック工程において、前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転している
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12に記載の発明は、
膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を形成するためのスタック工程、および、
前記積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結工程を有しており、
前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、
前記スタック工程において、前記セパレータの一部については、反転している
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23に記載の発明は、
膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結手段、
前記加圧締結手段による締結後における前記積層体の変形を予測するための予測手段、および、
前記加圧締結手段によって前記積層体に面圧を付与する際に、予測された前記変形を相殺するように、前記積層体を変形させるための変形手段を有し、
前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転している、あるいは、
前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、反転している
ことを特徴とする燃料電池の製造装置である。
請求項1および請求項3に記載の発明によれば、単セル積層体に含まれるセパレータの一部について、180度回転(180度向きが反転)あるいは反転しているため、セパレータの厚み誤差の少なくとも一部が打ち消しあっており、単セル積層体における厚み誤差の累積が妨げられている。一方、セパレータは、180度回転あるいは反転に対応し、点対称形状、あるいは、膜電極接合体に相対する面および隣接する別の単セルのセパレータに相対する面に関して対称であるため、作用および効果に影響が及ぼされていない。したがって、単セル積層体における偏荷重の発生および変形が抑制された燃料電池を提供することができる。
請求項8および請求項12に記載の発明によれば、スタック工程において形成される単セル積層体に含まれるセパレータの一部について、180度回転(180度向きが反転)あるいは反転しているため、セパレータの厚み誤差の少なくとも一部が打ち消しあっており、単セル積層体における厚み誤差の累積が妨げられている。そのため、加圧締結工程において付与される面圧の局所的なバラツキ(偏荷重)および偏荷重に基づく変形が、容易に抑制されることとなる。一方、セパレータは、180度回転あるいは反転に対応し、点対称形状あるいは膜電極接合体に相対する面および隣接する別の単セルのセパレータに相対する面に関して対称であるため、作用および効果に影響が及ぼされない。したがって、単セル積層体における偏荷重の発生および変形を、容易に抑制することができる燃料電池の製造方法を提供することができる。
請求項23に記載の発明によれば、加圧締結手段によって単セル積層体に面圧を付与する際に、予測手段によって予測された加圧締結後における単セル積層体の変形を相殺するように、変形手段によって単セル積層体を変形させることで、加圧締結後における単セル積層体の変形を、容易に抑制することが可能である。また、加圧締結手段に投入される単セル積層体に含まれるセパレータの一部について、180度回転(180度向きが反転)あるいは反転しているため、セパレータの厚み誤差の少なくとも一部が打ち消しあっており、単セル積層体における厚み誤差の累積が妨げられている。一方、セパレータは、180度回転あるいは反転に対応し、点対称形状あるいは膜電極接合体に相対する面および隣接する別の単セルのセパレータに相対する面に関して対称であるため、作用および効果に影響が及ぼされていない。したがって、単セル積層体における偏荷重の発生および変形を、容易に抑制することができる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、複数の単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、燃料電池10の用途として、特に好ましい。なお、スタック部20は、後述するように、厚み誤差の累積が妨げられており、偏荷重の発生および変形が抑制されている。
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を締結している。
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、単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に示されるカソード用セパレータを説明するための平面図、図4は、図2に示されるアノード用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、単セルを構成するアセンブリ100を複数積層した積層体を有する。アセンブリ100は、膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)140を一対のセパレータ150,170によって挟持してなる。なお、膜電極接合体140、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)が配置されている。
アセンブリ(単セル)100は、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称であり、1〜数十ユニットおきに、対称中心に関して180度回転(180度向きが反転)している。したがって、セパレータ150,170の厚み誤差の少なくとも一部が打ち消しあっており、単セル積層体における厚み誤差の累積が妨げられている。
膜電極接合体140は、セパレータ150,170と略同一形状であり、電解質膜110、電解質膜110を挟んで配置されるカソード電極(空気極)120およびアノード電極(燃料極)130を有する。カソード電極120は、カソード触媒層およびガス拡散層を有し、アノード電極130は、アノード触媒層およびガス拡散層を有する。電解質膜110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、発電領域が位置する平面方向に関する中心Cを対称中心とする点対称形状である。セパレータ150,170は、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。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、カソード用であり、別のアセンブリ100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、カソード電極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、積重ねの際に利用される位置決め部を構成する。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、および開放端152,157と内端辺を連結している側方辺を有する。
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。
カソード電極120に相対する凹凸部169の内面と、カソード電極120の表面により形成される空間S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、アノード用であり、セパレータ150と略同一形状であり、別のアセンブリ100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、アノード電極130に相対して配置される。
第1および第2穴部171,176は、互いに対向する2辺(第1および第2辺)に配置され、積重ねの際に利用される位置決め部を構成する。第1および第2穴部171,176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172,177、開放端172,177と相対する内端辺、および開放端172,177と内端辺を連結している側方辺を有する。
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。
アノード電極130に相対する凹凸部189の内面と、アノード電極130の表面により形成される空間S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、隣接する別のアセンブリ100のセパレータ150の外面により形成される空間S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。
厚み誤差の累積の抑制のため、スタック部20に含まれるアセンブリ100の一部について、対称中心に関して180度回転している。しかし、セパレータ150,170は、発電領域が位置する平面方向に関する中心Cを対称中心とする点対称形状であるため、作用および効果に影響が及ぼされていない。なお、180度回転は、アセンブリ単位に限定されず、セパレータ単位で実施することも可能である。
図5は、図1に示される燃料電池の製造方法を説明するための斜視図であり、スタック工程を示しており、図6は、セパレータの厚み誤差を説明するための平面図、図7は、図5に続く、加圧締結工程を説明するための側面図であり、スタック工程において形成される積層体の配置を示しており、図8は、図7に続く、積層体のプレスを説明するための側面図、図9は、図8に続く、積層体の締結を説明するための側面図、図10は、図9に続く、切断工程を説明するための斜視図である。
本実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、スタック工程、加圧締結工程および切断工程を有する。スタック工程においては、単セルを構成するアセンブリの積層体が形成される。加圧締結工程においては、積層体に面圧が付与されて、締結される。切断工程においては、第1および第2穴部が配置されているセパレータ部位が、スタック工程の後において切断される。
次に、図5〜10を参照し、各工程を順次詳述する。
スタック工程に適用される積重ね装置200は、第1および第2位置決めフレーム210,220を有する(図5参照)。第1および第2位置決めフレーム210,220は、アセンブリ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、両端が支持体(不図示)に着脱自在に取付けられている。第1および第2位置決めフレーム210,220の形状は、セパレータ150,170の第1および第2穴部151,171および156,176に、開放端152,172および157,177を経由して嵌込み自在に設定されている。
スタック工程においては、まず、アセンブリ100が順次積重ねられる。この際、第1位置決めフレーム210は、第1穴部151,171の開放端152,172を経由して嵌込まれ、第1穴部151,171の内面に突き当てられることで、アセンブリ100の一方の片側を位置決めする。一方、第2位置決めフレーム220は、第2穴部156,176の開放端157,177を経由して嵌込まれ、第2穴部156,176の内面に突き当てられることで、アセンブリ100の他方の片側を位置決めする。そして、1〜数十ユニットおきに、アセンブリ100を対称中心に関して180度回転させた状態で、積重ねされる。
180度回転の際の位置決めは、セパレータ150,170の凹凸部169,189の頂部(流路リブ)と、セパレータ150,170と当接する別のアセンブリ100のセパレータ170,150の凹凸部189,169の頂部とが、オフセットしないように制御される。これにより、例えば、流路閉塞、過剰な面圧の発生、シール材のオフセットによるシール性の低下を、避けることが可能である。
セパレータ150,170は、例えば、図6に示されるように、P,P,PとP,P,Pとの間、および、PとPとの間に、厚み誤差を有する。したがって、180度回転させることによって、アセンブリ100(セパレータ150,170)の厚み誤差の少なくとも一部が打ち消されるため、アセンブリ100の積層体190における厚み誤差の累積が妨げられる。
加圧締結工程に適用される加圧締結手段は、アセンブリ100の積層体190に面圧を付与し、締結するために使用され、プレス装置240および締結手段230を有する。プレス装置240は、下型242、上型244および駆動手段246を有する(図7参照)。下型242は、スタック工程において形成されるアセンブリ100の積層体190が配置される。上型244は、下型242に対して近接離間自在に配置される。駆動手段246は、例えば、油圧シリンダを有しており、上型244を積層体190に向かって移動させ、面圧を付与するために使用される。締結手段230は、例えば、金属ベルトからなり(図9参照)、面圧が付与された積層体190を締結し、押し圧状態を保持するために使用される。
加圧締結工程においては、まず、積層体190が下型242に配置される(図7参照)。駆動手段246は、上型244を積層体190に向かって駆動する。積層体190は、下型242および上型244によって押圧され、面圧が付与される(図8参照)。
積層体190に含まれるセパレータ150,170の一部について、180度回転しているため、セパレータの厚み誤差の少なくとも一部が打ち消しあっており、積層体190における厚み誤差の累積が妨げられている。そのため、付与される面圧の局所的なバラツキ(偏荷重)が、容易に抑制されることとなる。
そして、積層体190に、締結手段230が取り付けられると(図9参照)、駆動手段246は、上型244を積層体190から離間する方向に駆動し、面圧の付与が解消される。一方、積層体190は、締結手段230によって締結されるため、押し圧状態が保持される。なお、積層体190は、偏荷重の発生が抑制されているため、加圧締結後における変形も抑制されることになる。
切断工程に適用される切断手段290は、例えば、ダイヤモンドカッタを有する(図10参照)。切断手段290は、セパレータ150,170の第1および第2穴部151,171および156,176が配置されているセパレータ部位に位置決めされる。第1および第2穴部151,171および156,176は、例えば、出荷テスト完了後においては、役割は、終了しているため、除去することが可能である。したがって、切断手段290によって前記セパレータ部位を、切断する場合、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、向上させることが可能である。
図11は、本発明の実施の形態に係る変形例1を説明するための斜視図である。
セパレータ150,170の厚み誤差の累積は、セパレータ150,170の一部について、反転させることによっても抑制することが可能である。この場合、セパレータ150,170は、膜電極接合体140に相対する面と、隣接する別のアセンブリ100のセパレータ170,150に相対する面とを対称とし、反転が、作用および効果に影響を及ぼさないようにすることが必要である。また、アセンブリ単位で反転する場合は、アセンブリ100は、隣接する別のアセンブリ100に相対する一方の面と他方の面とが対称である必要である。
反転の際の位置決めは、セパレータ150,170の凹凸部169,189の頂部と、セパレータ150,170と当接する別のアセンブリ100のセパレータ150,170の凹凸部169,189の頂部とが、オフセットしないように制御される。これにより、例えば、流路閉塞、過剰な面圧の発生、シール材のオフセットによるシール性の低下を、避けることが可能である。
図12は、本発明の実施の形態に係る変形例2を説明するための断面図である。
セパレータ150,170の凹凸部169,189の頂部の幅W,Wを異ならせることも可能である。この場合、180度回転の際における頂部におけるオフセットの発生を、抑制することが可能である。特に、頂部の幅W,Wの差を、180度回転における位置決め精度の2倍より、大きいあるいは等しく設定することで、頂部のオフセットを、確実に排除することが可能である。
図13は、本発明の実施の形態に係る変形例3を説明するための側面図、図14は、変形例3に係る変形の相殺を説明するための側面図である。
変形例3に係る燃料電池の製造方法は、加圧締結工程の後における積層体190の変形を予測するための予測工程を有し、加圧締結工程において、積層体190は、予測された変形を相殺するように変形(相殺変形)させられる。そのため、変形例3に係る燃料電池の製造装置は、積層体190の変形を予測するための予測手段250、および、プレス装置240によって積層体190に面圧を付与する際に、予測された変形を相殺するように、積層体190を変形させるための変形手段260を、さらに有する。
予測手段250は、積層体190に面圧を付与した際における面圧の局所的なバラツキを検出するための面圧検出手段252,254を有する。面圧検出手段252,254は、プレス装置240の下型242に配置される圧電素子からなる。予測手段250は、面圧検出手段252,254によって検出された面圧の局所的なバラツキに基づいて、積層体190の変形を予測する。面圧検出手段252,254は、圧電素子に限定されない。
変形手段260は、積層体190の側方に配置される押圧手段262、押圧手段262を積層体190に向かって移動させるための駆動手段264、および、駆動手段264による押圧手段262の移動量を制御するための制御手段266を有する。
押圧手段262は、積層体190の側方を押圧することで、積層体190を傾斜および/又は湾曲させるために使用される。駆動手段264は、例えば、サーボモータである。制御手段266は、相殺変形の際に、セパレータ150,170の凹凸部169,189の頂部が、オフセットしないように、押圧手段262の移動量を制御する。
次に、予測工程および加圧締結工程を説明する。
予測工程においては、まず、積層体190が下型242に配置される。駆動手段246は、上型244を積層体190に向かって駆動する。積層体190は、下型242および上型244によって押圧され、面圧が付与される。予測手段250は、下型242に配置される面圧検出手段252,254によって、面圧の局所的なバラツキを検出し、加圧締結工程の後における積層体190の変形を予測する。その後、駆動手段246は、上型244を積層体190から離間する方向に駆動し、面圧の付与が解消される。
加圧締結工程においては、駆動手段246は、下型242に配置される積層体190に向かって、上型244を駆動する。積層体190は、下型242および上型244によって押圧され、面圧が付与される。この際、変形手段260の押圧手段262によって、積層体190は、予測された変形を相殺するように変形させられる。例えば、面圧検出手段252,254によって検出された面圧が、図中右側において大きい場合、積層体190を図中左側に傾斜するように、変形させる。
以上のように、プレス装置240によって積層体190に面圧を付与する際に、予測手段250によって予測された締結後における積層体190の変形を相殺するように、変形手段260によって積層体190を変形させることで、締結後における積層体190の変形を、容易に抑制することが可能である。
図15は、本発明の実施の形態に係る変形例4を説明するための斜視図、図16は、図15に示される第1位置決めフレームを説明するための断面図、図17は、図15に示される第2位置決めフレームを説明するための断面図である。なお、セパレータ150,170は、略同一形状であるため、セパレータ170の第1および第2穴部171,176の開放端172,177、側方辺173,178および内端辺174,179を、図示していない。
変形例4に係る積重ね装置300は、第1および第2位置決めフレーム310,320を有する。第1位置決めフレーム310は、略矩形状断面を呈し、水平方向に延長する長辺314と、垂直方向に延長する短辺313を有する。長辺314の幅は、セパレータ150,170の第1穴部151,171の内端辺154,174の幅より小さく、かつ、開放端152,172の幅より大きい。短辺313は、長辺314が第1穴部151,171に嵌込まれた際に、側方辺153,173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151,171の側方辺153,173は、第1位置決めフレーム310の短辺313が突き当てられることによって、アセンブリ100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320は、略矩形状断面を呈し、水平方向に延長する短辺329と、垂直方向に延長する長辺328とを有する。短辺329の幅は、セパレータ150,170の第2穴部156,176の開放端157,177の幅と、略一致している。長辺328は、短辺329が開放端157,177に挿入された際に、側方辺158,178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156,176の側方辺158,178は、第2位置決めフレーム320の長辺328が突き当てられることによって、アセンブリ100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310の長辺314と第2位置決めフレーム320の短辺329との間の距離は、第1穴部151,171の内端辺154,174と第2穴部156,176の内端辺159,179との間の長さより大きく、かつ、第1穴部151,171の開放端152,172と第2穴部156,176の開放端157,177との間の長さより小さい。
次に、変形例4に係るスタック工程を説明する。
アセンブリ100を、積重ね装置300によって、積重ねる際に、セパレータ150,170の第1穴部151,171の内面に、開放端152,172を経由して嵌込まれた第1位置決めフレーム310を突き当てることで、アセンブリ100のX−Y位置を規制し、第2穴部156,176の内面に、開放端157,177を経由して嵌込まれた第2位置決めフレーム320を突き当てることで、アセンブリ100のθ方向を規制する。
つまり、積重ねの際におけるアセンブリ100の位置決めは、第1および第2位置決めフレーム310,320を、セパレータ150,170に形成される第1および第2穴部151,156,171,176の開放端152,157,172,177を経由して、嵌込ませ、第1および第2穴部151,156,171,176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152,157,172,177を経由して、第1および第2位置決めフレーム310,320を取外すことが可能である。したがって、アセンブリ100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152,157,172,177の存在により、第1および第2穴部151,156,171,176は、第1および第2位置決めフレーム310,320の任意の位置で、嵌込むことが可能である。したがって、多数のアセンブリ100を使用する場合、第1および第2位置決めフレーム310,320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151,156,171,176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放端152,157,172,177を有しており、第1および第2位置決めフレーム310,320は、主および副基準側として、アセンブリ100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18〜図22を参照し、変形例4に係るスタック工程を詳述する。図18は、セパレータの回転を説明するための正面図、図19は、図18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20は、図19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21は、図20に続く、セパレータの逆回転を説明するための正面図、図22は、図21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、アセンブリ100を傾斜させ、第1穴部151,171を第1位置決めフレーム310の近傍に、第2穴部156,176を、第2位置決めフレーム320の近傍に、配置する。第1穴部151,171を中心として回転させることで、第1穴部151,171の開放端152,172を、第1位置決めフレーム310と位置合せする(図18参照)。
アセンブリ100を水平方向に移動させ、第1穴部151,171の側方辺153,173を、第1位置決めフレーム310の長辺314に沿ってスライドさせ(図19参照)、第1位置決めフレーム310の長辺314あるいは短辺313を、第1穴部151,171の内端辺154,174あるいは側方辺153,173に当接させる(図20参照)。これにより、第1穴部151,171は、第1位置決めフレーム310を内部に収容することとなる。
次に、アセンブリ100を、第1穴部151,171つまり第1位置決めフレーム310を中心として逆回転させ(図21参照)、第2穴部156,176と第2位置決めフレーム320と位置合せする。
そして、アセンブリ100の傾斜を解消する。その結果、第2穴部156,176の開放端157,177に、第2位置決めフレーム320の短辺329が挿入される。これは、第1位置決めフレーム310の長辺314と第2位置決めフレーム320の短辺329との間の距離が、第1穴部151,171の内端辺154,174と第2穴部156,176の内端辺159,179との間の長さより大きく、かつ、第1穴部151,171の開放端152,172と第2穴部156,176の開放端157,177との間の長さより小さためである。
その後、アセンブリ100を直立させ、第1位置決めフレーム310の短辺313を、第1穴部151,171の側方辺153,173に突き当てる(図22参照)。その結果、アセンブリ100のX−Y位置が規制される。これは、第1位置決めフレーム310の長辺314の幅は、第1穴部151,171の内端辺154,174の幅より小さく、かつ、開放端152,172の幅より大きく、かつ、短辺313は、長辺314が第1穴部151,171に嵌込まれた際に、側方辺153,173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156,176の側方辺158,178は、第2位置決めフレーム320の長辺328が突き当てられる。その結果、アセンブリ100のθ方向が規制される。これは、第2位置決めフレーム320の短辺329の幅は、第2穴部156,176の開放端157,177の幅と、略一致しており、かつ、長辺328は、短辺329が開放端157,177に挿入された際に、側方辺158,178に突き当てられるように設定されているためである。
なお、アセンブリ100が180度回転あるいは反転されている場合も、アセンブリ100の積重ねは、同様であるため、その説明は省略する。
次に、アセンブリ100の取外しを説明する。図23は、作業スペースの確保を説明するための斜視図、図24は、図23に続く、セパレータの回転を説明するための正面図、図25は、図24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26は、図25に続く、スライド式移動を説明するための正面図、図27は、図26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、例えば、出荷テストの際、電圧不良で修理を必要とするアセンブリ100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、対象となるアセンブリ100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、隣接するアセンブリ100を、第1および第2位置決めフレーム310,320に沿って移動させることで、形成される(図23参照)。
そして、セパレータ150,170の第1穴部151,171の内端辺154,174を、第1位置決めフレーム310の長辺314に近接させ、第1穴部151,171と第1位置決めフレーム310との突き当てを解消する。これにより、アセンブリ100を傾斜させることが可能となる。
その後、アセンブリ100を傾斜させる。その際、第2穴部156,176と第2位置決めフレーム320との突き当て嵌合状態が解消するまで、第2穴部156,176の側方辺158,178を、第2位置決めフレーム320の長辺328に沿って移動させる。これにより、アセンブリ100は、第1穴部151,171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310つまり第1穴部151,171を中心に、アセンブリ100を回転させ(図24参照)、第1穴部151,171の開放端152,172を、第1位置決めフレーム310と位置合せする(図25参照)。
第1穴部151,171の側方辺153,173を、第1位置決めフレーム310の長辺314に沿ってスライドさせながら(図26参照)、アセンブリ100を水平方向に移動させ、第1穴部151,171と第1位置決めフレーム310の嵌合を解除する(図27参照)。これにより、アセンブリ100が取外される。
なお、アセンブリ100が180度回転あるいは反転されている場合も、アセンブリ100の取外しは、同様であるため、その説明は省略する。
図28および図29は、本発明の実施の形態に係る変形例5を説明するための平面図および断面図である。
変形例5に係るセパレータ150,170の第2穴部156,176は、第2位置決めフレームを誘導するためのガイド手段390を有する。ガイド手段390は、開放端157,177に向かって延長している傾斜面392および第2穴部156,176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394を有する。
したがって、第2位置決めフレームは、傾斜面392によって誘導され、第2穴部156,176に配置される。つまり、第2穴部156,176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394の存在により、ガイド手段390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、アセンブリ100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、アセンブリ100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、加圧締結工程におけるアセンブリ100の移動を抑制することが可能である。
なお、ガイド手段390の高さ(傾斜面392の頂面の高さ)は、凹凸部169,189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、隣接するアセンブリ100との干渉が、避けられる。
図30、図31および図32は、本発明の実施の形態に係る変形例6、変形例7および変形例8を説明するための断面図である。
第1位置決めフレーム310の断面形状は、略矩形状に限定されず、例えば、半円状(図30)、逆T字状(図31)、H字状(図32)とすることも可能である。
以上のように、本実施の形態は、単セル積層体における偏荷重の発生および変形が抑制された燃料電池、単セル積層体における偏荷重の発生および変形を、容易に抑制することができる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、特許請求の範囲で種々改変することができる。
例えば、変形例1〜7は、適宜組み合わせることが可能である。また、スタック工程は、別途用意されたアセンブリ100を適用することに限定されず、スタック工程において、セパレータ150、膜電極接合体140およびセパレータ170を順次積重ねることで、アセンブリ100を形成することも可能である。この場合、公差の緩和や、電圧モニタータブなどの部品の配置の自由度の点で、好ましい。
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に示されるカソード用セパレータを説明するための平面図である。 図2に示されるアノード用セパレータを説明するための平面図である。 図1に示される燃料電池の製造方法を説明するための斜視図であり、スタック工程を示している。 セパレータの厚み誤差を説明するための平面図である。 図5に続く、加圧締結工程を説明するための側面図であり、スタック工程において形成される積層体の配置を示している。 図7に続く、積層体のプレスを説明するための側面図である。 図8に続く、積層体の締結を説明するための側面図である。 図9に続く、切断工程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1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2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3を説明するための側面図である。 変形例3に係る変形の相殺を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例4を説明するための斜視図である。 図15に示される第1位置決めフレームを説明するための断面図である。 図15に示される第2位置決めフレームを説明するための断面図である。 変形例4に係るスタック工程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18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19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20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21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。 変形例4に係る取外し工程を説明するための斜視図であり、作業スペースの確保を示している。 図23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24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25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26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5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5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6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7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8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・・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、
80・・エンドプレート、
90・・タイロッド、
100・・アセンブリ、
110・・電解質膜、
120・・カソード電極、
130・・アノード電極、
140・・膜電極接合体、
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、
173・・側方辺、
174・・内端辺、
176・・第2穴部、
177・・開放端、
178・・側方辺、
179・・内端辺、
181,182,184,185,187,188・・マニホールド部、
189・・凹凸部、
190・・積層体、
200・・積重ね装置、
210・・第1フレーム、
220・・第2フレーム、
230・・締結手段、
240・・プレス装置、
242・・下型、
244・・上型、
246・・駆動手段、
250・・予測手段、
252,254・・面圧検出手段、
260・・変形手段、
262・・押圧手段、
264・・駆動手段、
266・・制御手段、
290・・切断手段、
300・・積重ね装置、
310・・第1フレーム、
313・・短辺、
314・・長辺、
320・・第2フレーム、
328・・長辺、
329・・短辺、
390・・ガイド手段、
392・・傾斜面、
394・・かしめ部394、
・・対称中心、
,S,S・・空間、
,W・・幅。

Claims (26)

  1. 膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を有し、
    前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転していることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記単セルは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称であり、前記向きの反転は、単セル単位であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
  3. 膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を有し、
    前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、反転している
    ことを特徴とする燃料電池。
  4. 前記単セルは、隣接する別の単セルに相対する一方の面と他方の面とが対称であり、前記反転は、単セル単位であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
  5. 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放端を有する位置決め部を有することを特徴とする請求項1又は請求項3に記載の燃料電池。
  6. 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5に記載の燃料電池。
  7. 前記位置決め部の一方に配置されるガイド手段を有し、前記ガイド手段は、前記開放端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5に記載の燃料電池。
  8. 膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を形成するためのスタック工程、および、
    前記積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結工程を有しており、
    前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、
    前記スタック工程において、前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転している
    ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  9. 前記単セルは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称であり、前記向きの反転は、単セル単位であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池の製造方法。
  10. 前記向きの反転は、前記単セルのセパレータの流路リブと、前記セパレータと当接する別の単セルのセパレータの流路リブとが、オフセットしないように制御され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. 前記膜電極接合体の両面を挟持している前記セパレータの一方および他方における流路リブの幅は、異なっており、
    前記流路リブの幅の差は、前記向きの反転における位置決め精度の2倍より、大きいあるいは等しい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。
  12. 膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体を形成するためのスタック工程、および、
    前記積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結工程を有しており、
    前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、
    前記スタック工程において、前記セパレータの一部については、反転している
    ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  13. 前記単セルは、隣接する別の単セルに相対する一方の面と他方の面とが対称であり、前記反転は、単セル単位であることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池の製造方法。
  14. 前記反転は、前記単セルのセパレータの流路リブと、前記セパレータと当接する別の単セルのセパレータの流路リブとが、オフセットしないように制御されることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池の製造方法。
  15. 前記加圧締結工程の後における前記積層体の変形を予測するための予測工程を有し、
    前記加圧締結工程において、前記積層体は、予測された前記変形を相殺するように変形させられることを特徴とする請求項8又は請求項12に記載の燃料電池の製造方法。
  16. 前記加圧締結工程における前記変形は、前記単セルのセパレータの流路リブと、前記セパレータと当接する別の単セルのセパレータの流路リブとが、オフセットしないように制御されることを特徴とする請求項15に記載の燃料電池の製造方法。
  17. 前記予測工程における予測は、前記積層体に面圧を付与した際における面圧の局所的なバラツキに基づいていることを特徴とする請求項15に記載の燃料電池の製造方法。
  18. 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放端を有する位置決め部を有しており、
    前記スタック工程において、前記セパレータの位置決め部の内面に、前記開放端を経由して、位置決めフレームを嵌込んで突き当てることで、前記セパレータの面方向が規制される
    ことを特徴とする請求項8又は請求項12に記載の燃料電池の製造方法。
  19. 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18に記載の燃料電池の製造方法。
  20. 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18に記載の燃料電池の製造方法。
  21. 前記ガイド手段は、前記開放端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20に記載の燃料電池の製造方法。
  22. 前記位置決め部が配置されているセパレータ部位を、前記スタック工程の後において切断するための切断工程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。
  23. 膜電極接合体の両面をセパレータにより挟持されてなる単セルを複数積層した積層体に面圧を付与し、締結するための加圧締結手段、
    前記加圧締結手段による締結後における前記積層体の変形を予測するための予測手段、および、
    前記加圧締結手段によって前記積層体に面圧を付与する際に、予測された前記変形を相殺するように、前記積層体を変形させるための変形手段を有し、
    前記セパレータは、発電領域が位置する平面方向に関する中心を対称中心とする点対称形状であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、前記対称中心に関して180度向きが反転している、あるいは、
    前記セパレータは、前記膜電極接合体に相対する面と、隣接する別の単セルのセパレータに相対する面とが対称であり、前記積層体に含まれる前記セパレータの一部について、反転している
    ことを特徴とする燃料電池の製造装置。
  24. 前記変形手段は、前記積層体の側方に配置される押圧手段、前記押圧手段を前記積層体に向かって移動させるための駆動手段、および、前記駆動手段による前記押圧手段の移動量を制御するための制御手段を有しており、
    前記押圧手段は、前記積層体の側方を押圧することで、前記積層体を傾斜および/又は湾曲させることを特徴とする請求項23に記載の燃料電池の製造装置。
  25. 前記制御手段は、前記単セルのセパレータの流路リブがオフセットしないように、前記押圧手段の移動量を制御することを特徴とする請求項24に記載の燃料電池の製造装置。
  26. 前記予測手段は、前記積層体に面圧を付与した際における面圧の局所的なバラツキを検出するための面圧検出手段を有しており、検出された面圧の局所的なバラツキに基づいて、前記積層体の変形を予測することを特徴とする請求項23に記載の燃料電池の製造装置。
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