JP2010182622A - 燃料電池の製造方法、燃料電池、およびその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、変形して成形された多孔質体に影響されることなく、ガスケットを容易に且つ適切に一体に成形する。
【解決手段】燃料電池の製造装置は、多孔質体２３，２４を含む燃料電池構成部品２とセパレータ３とがインサートされてガスケット４を成形する金型７０，７１を含むガスケット成形装置７と、金型７０，７１にインサートされる前に多孔質体２３，２４をセパレータ３と全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置５とを備えており、固着装置５は、セパレータ３の平坦な表面に対して多孔質体２３，２４を全面にわたって密着させる密着手段と、セパレータ３と全面にわたって密着された多孔質体２３，２４とをスポット溶接するスポット溶接手段５１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の製造方法、燃料電池、およびその製造装置に関し、さらに詳しくは、マニホールド孔が形成されたセパレータと多孔質体を含む燃料電池構成部品とを積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することによりセルを構成し、該セルを複数積層することにより前記燃料電池構成部品をセパレータ間で挟持すると共に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔をガスケットにより互いに連通してマニホールドを構成する燃料電池の製造方法と、複数のセルを積層してなり、各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池、およびその製造装置とに関するものである。

一般に、燃料電池は、複数のセルを積層することにより構成されている。燃料電池として組み立てたときには、積層されたセルの積層方向端部にそれぞれエンドプレートが配設され、所定の荷重を付与した状態で両エンドプレートがテンション部材によって締結されており（この状態を締結時という）、セパレータの間に燃料電池構成部品が挟持されている。図４に参照されるように、各セル１の燃料電池部品としては、電解質膜の両面に電極層をそれぞれ設けてなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極アセンブリ）２１と、ＭＥＡ２１の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層２２，２２と、ガス拡散層２２，２２へガスをそれぞれ流通させる多孔質体２３，２４とを含んでいる。ＭＥＡ２１とその両側に配置されたガス拡散層２２とにより構成される部品は、一般にＭＥＧＡ２０と呼ばれる。

燃料電池は、各セルに反応ガス（水素、空気等）や冷却媒体をそれぞれ分配・供給するためのマニホールドＭを有している。セパレータ３の燃料電池構成部品２が積重される領域の周囲には、マニホールド孔３ｈが形成されている。そして、燃料電池のなかには、各セルが燃料電池構成部品の一方の面にセパレータを積層することにより構成されており、複数のセルを積層することにより、燃料電池構成部品がそのセルのセパレータと隣接する他のセルのセパレータとの間で挟持されるよう構成されたものがある。セパレータ３は、所定形状の溝または孔が形成された中間プレート３３をカソードプレートとアノードプレートのいずれかを構成する第１プレート３１と第２プレート３２の間に挟んでなる３層構造とすることにより、その内部に反応ガスや冷却媒体を流通させるための流路３４が形成されている。セパレータ３内の各流路３４は、所定のマニホールド孔３ｈに開口しており、所定のガスまたは冷却媒体が所定のマニホールド孔３ｈから供給され、他の対応する所定のマニホールド孔３ｈへと排出される。マニホールド孔３ｈのセパレータ３における燃料電池構成部品２が積重される領域側の部分（以下、セパレータ内側部分という、）の内周壁には、所定の流路３４の導入口または排出口が開口している。

そして、各セル１には、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔３ｈの周囲を取り囲み、且つ、燃料電池構成部品２の周囲をシールするようにガスケット４が一体に成形されている。ガスケット４は、図４に示すように、セパレータ３のマニホールド孔３ｈの周囲に立ち上がるように成形される基部４０と、基部４０の表面から燃料電池構成部品２の表面よりも図４における上方に突出してセル１が積層されたときに隣接する他のセル１のセパレータ３に当接されるように一体に成形されたリップ部４１とを有しており、マニホールドＭを構成している。

ガスケットを成形する際には、一般に、ガスケット成形用の金型内にセパレータと多孔質体と、ＭＥＧＡと、多孔質体とを位置合わせしながら順次積層してインサートし、型閉じしてキャビティを形成し、このキャビティ内にガスケットの材料を射出充填している。

また、上述したような燃料電池においては、特許文献１に開示されているように、ガス流路形成部材（多孔質体）とセパレータとを一体に接合する構成が知られている。特許文献１にあっては、隣接する部材間の接触抵抗を低減して燃料電池の性能を向上させるために多孔質体とセパレータとを一体に接合するもので、この接合時にガス流路形成部材である金属多孔質体と金属セパレータとを積層して加圧・加熱する熱処理によって金属多孔質体が形状変形するのを防止することを目的としている。そして、特許文献１では、多孔質体とセパレータとを一体に接合するために、熱可塑性の接着層により接着することが開示されている。さらに、特許文献１にあっては、セパレータの外側プレートに貫通孔を形成し、中間プレートと外側プレートとの間に熱可塑性の接着層を介装するとともに外側プレートの外側の面に多孔質体を配置して積層体を構成し、積層体に対して熱を加えることにより接着層を溶かして、その後の固化によって積層体の各部材間を接着することが開示されている。そして、特許文献１には、接着層がセパレータの外側プレートの貫通孔に流入して、貫通孔から突出して多孔質体の表面に至り、これが固化することにより多孔質体とセパレータとを一体に接合することが開示されている。なお、特許文献１に開示されたセルは、ガスケットが、多孔質体およびセパレータと別に、ＭＥＧＡの外周縁のみに成形されており、多孔質体とＭＥＧＡとセパレータとを積層した状態に一体化されたものではない。

ところで、燃料電池構成部品の多孔質体は、たとえばチタンなどの金属により構成されており、所謂エキスパンドメタルのように機械加工によって形成され、あるいは焼結により成形されたものが用いられており、図２に鎖線で示したように、その成形に伴って反りＳが発生するなど変形していることがある。この多孔質体の反りＳなどの変形は、たとえば最大で５ｍｍ程度となっている。

特開２００８−３４２７０号公報

しかしながら、上記特許文献１にあっては、熱可塑性接着層を加熱して融解させてから固化するまでに時間がかかり、セルの製造サイクルタイムを短縮することができないという問題や、一般に熱可塑性接着層を融解するための加熱設備が大型であることから大きな設置スペースを必要とし設備コストがかかるなどの問題があった。

また、上記特許文献１にあっては、多孔質体とセパレータとの接合時の熱処理（従来の技術）によって金属多孔質体が形状変形することは防止することはできたが、多孔質体の成形に伴って発生する反りなどの変形に対しては対応することができなかった。そのため、ガスケットを成形するために、反りなどの変形が生じた多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータを積層して金型内にインサートし型閉じすると、かかる変形した多孔質体が金型に局所的に接触し押圧されることにより位置ズレが生じたり、多孔質体と積層されたＭＥＧＡのガス拡散層に対して応力が部分的に集中して、ガス拡散層に割れが生じるなどの問題があった。

さらに、従来の技術にあっては、ガスケット成形用の金型内にセパレータと多孔質体と、ＭＥＧＡと、多孔質体とを位置合わせしながら順次積層するが、この積層時の位置合わせのための基準がなく、かかる積層を自動化を図ることが困難であった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、変形して成形された多孔質体に影響されることなく、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットを容易に且つ適切に一体に成形してセルを構成する燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、変形して成形された多孔質体に影響されることなく、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットを容易に且つ適切に一体に成形することができる構造のセルを有する燃料電池と、そのようなセルを製造することが可能な装置を提供することを目的とする。

請求項１の燃料電池の製造方法に係る発明は、上記目的を達成するため、マニホールド孔が形成されたセパレータと多孔質体を含む燃料電池構成部品とを積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することによりセルを構成し、該セルを複数積層することにより前記燃料電池構成部品をセパレータ間で挟持すると共に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔をガスケットにより互いに連通してマニホールドを構成する燃料電池の製造方法であって、前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体を全面にわたって密着させてスポット溶接し、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することを特徴とするものである。
また、請求項２の燃料電池に係る発明は、上記目的を達成するため、複数のセルを積層してなり、各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池であって、前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体が全面にわたって密着されてスポット溶接されていることを特徴とするものである。
さらに、請求項３の燃料電池の製造装置に係る発明は、上記目的を達成するため、複数のセルを積層してなり、各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池の製造装置であって、前記多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータとがインサートされてガスケットを成形する金型を含むガスケット成形装置と、前記金型にインサートされる前に前記多孔質体をセパレータと全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置とを備えており、該固着装置は、前記セパレータの表面に対して前記多孔質体を全面にわたって密着させる密着手段と、セパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接するスポット溶接手段とを備えていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、表面が平坦なセパレータとこのセパレータに隣接して積層される多孔質体とを互いにスポット溶接するという簡単な構成により、多孔質体が変形して成形されている場合であっても、平坦な表面のセパレータに密着するように固着されることとなるため、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正される。そして、セパレータと多孔質体とは、汎用のスポット溶接装置を使用することにより、短時間で確実且つ容易に固着される。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題を回避することができる。そのため、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み、燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットを容易に且つ適切に一体に成形してセルを構成することが可能な燃料電池の製造方法を提供することができる。
請求項２の発明によれば、セパレータとこのセパレータに隣接して積層される多孔質体とが互いにスポット溶接されているという簡単な構成により、多孔質体が変形して成形されている場合であっても、平坦な表面のセパレータに密着するように固着されているため、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正されている。そして、セパレータと多孔質体とは、汎用のスポット溶接装置を使用することにより、短時間で確実且つ容易に固着されている。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題が回避され、したがって、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットが容易に且つ適切に一体に成形された構造のセルによって構成された燃料電池を提供することができる。
請求項３の発明によれば、多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータとがインサートされてガスケットを成形する金型を含むガスケット成形装置と、金型にインサートされる前に多孔質体をセパレータと全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置とを備えており、この固着装置は、セパレータの表面に対して多孔質体を全面にわたって密着させる密着手段と、セパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接するスポット溶接手段とを備えていることにより、多孔質体が変形して成形されている場合であっても、密着手段によって平坦な表面のセパレータの表面に対して多孔質体を全面にわたって密着させるために、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正され、そして、スポット溶接手段によってセパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接することにより、セパレータと多孔質体とを密着するように固着するために、多孔質体の平坦に矯正された状態が維持される。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題が回避され、したがって、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットが容易に且つ適切に一体に成形されたセルを製造することが可能な燃料電池の製造装置を提供することができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（４）項が請求項２に相当し、（７）項が請求項３に相当する。

（１） マニホールド孔が形成されたセパレータと多孔質体を含む燃料電池構成部品とを積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することによりセルを構成し、該セルを複数積層することにより前記燃料電池構成部品をセパレータ間で挟持すると共に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔をガスケットにより互いに連通してマニホールドを構成する燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体を全面にわたって密着させてスポット溶接し、
その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することを特徴とする燃料電池の製造方法。

（１）項の発明では、表面が平坦なセパレータとこのセパレータに隣接して積層される多孔質体とを互いに全面にわたって密着させてスポット溶接する。多孔質体が変形して成形されている場合であっても、平坦な表面のセパレータに全面にわたって密着した状態で固着されることとなるため、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正される。そして、セパレータと多孔質体とは、汎用のスポット溶接装置を使用することにより、短時間で確実且つ容易に固着することができる。また、セパレータに固着された多孔質体に対して他の燃料電池構成部品を積層することができるため、燃料電池構成部品を容易に位置合わせして積層することができる。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題を回避することができる。したがって、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットを容易に且つ適切に一体に成形して燃料電池のセルを構成することができる。

（２） 前記セパレータの一方の面に多孔質体をスポット溶接することを特徴とする（１）項に記載の燃料電池の製造方法。

（２）項の発明では、（１）項に記載の発明において、セパレータの一方の面に対して、このセパレータに隣接して積層される多孔質体を全面にわたって密着させスポット溶接することにより、そのセルにおいて、セパレータに隣接して積層される多孔質体が変形している場合であっても、多孔質体が平坦な表面のセパレータに確実に密着するように固着され、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形を平坦に矯正することができる。なお、この場合においては、既に他方の面にこれと隣接して積層される多孔質体が全面にわたって密着してスポット溶接されたセパレータの一方の面に対して、これに隣接して積層される多孔質体を全面にわたって密着させスポット溶接することも含まれる。

（３） 前記セパレータの両面に多孔質体を同時にスポット溶接することを特徴とする（１）項に記載の燃料電池の製造方法。

（３）項の発明では、（１）項に記載の発明において、一のセルにおけるセパレータの両面に、これに隣接して積層される多孔質体、および、このセパレータに隣接して積層される他のセルの多孔質体を、それぞれ同時に全面にわたって密着させるようにしてスポット溶接することにより、より少ない工程数で効率よく各多孔質体の変形を矯正して固着することができる。

（４） 複数のセルを積層してなり、
各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池であって、
前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体が全面にわたって密着されてスポット溶接されていることを特徴とする燃料電池。

（４）項の発明では、セパレータとこのセパレータに隣接して積層される多孔質体とが互いにスポット溶接されているという簡単な構成により、多孔質体が変形して成形されている場合であっても、平坦な表面のセパレータに密着するように固着されているため、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正されている。そして、セパレータと多孔質体とは、汎用のスポット溶接装置を使用することにより、短時間で確実且つ容易に固着されている。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題が回避され、したがって、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットが容易に且つ適切に一体に成形された構造のセルによって構成された燃料電池とすることができる。

（５） 前記セパレータの一方の面に多孔質体がスポット溶接されていることを特徴とする（４）項に記載の燃料電池。

（５）の発明では、（４）項に記載の発明において、セパレータの一方の面に対して、このセパレータに隣接して積層される多孔質体が全面にわたって密着した状態でスポット溶接されていることにより、そのセルにおいて、セパレータに隣接して積層される多孔質体が変形している場合であっても、多孔質体の変形を平坦に矯正して積層することができる。この場合においては、セパレータの両面に対してそれぞれ個別に多孔質体が全面にわたって密着させスポット溶接されたものも含まれる。

（６） 前記セパレータの両面に多孔質体がスポット溶接されていることを特徴とする（４）項に記載の燃料電池。

（６）の発明では（４）項に記載の発明において、一のセルにおけるセパレータの両面に、これに隣接して積層される多孔質体、および、このセパレータに隣接して積層される他のセルの多孔質体が、それぞれ同時に全面にわたって密着させるようにしてスポット溶接されていることにより、より少ない工程数で効率よく各多孔質体の変形を矯正して固着することができる構造とすることができる。

（７） 複数のセルを積層してなり、
各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池の製造装置であって、
前記多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータとがインサートされてガスケットを成形する金型を含むガスケット成形装置と、前記金型にインサートされる前に前記多孔質体をセパレータと全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置とを備えており、該固着装置は、
前記セパレータの表面に対して前記多孔質体を全面にわたって密着させる密着手段と、
セパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接するスポット溶接手段とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造装置。

（７）項の発明では、多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータとがインサートされてガスケットを成形する金型を含むガスケット成形装置と、金型にインサートされる前に多孔質体をセパレータと全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置とを備えており、この固着装置は、セパレータの表面に対して多孔質体を全面にわたって密着させる密着手段と、セパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接するスポット溶接手段とを備えていることにより、多孔質体が変形して成形されている場合であっても、密着手段によって平坦な表面のセパレータの表面に対して多孔質体を全面にわたって密着させるために、このセパレータの表面に倣うようにして多孔質体の変形が平坦に矯正され、そして、スポット溶接手段によってセパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接することにより、セパレータと多孔質体とを密着するように固着するために、多孔質体の平坦に矯正された状態が維持される。そのため、その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートして型閉じしても、多孔質体が局所的に金型に接触することがないため、位置ズレやガス拡散層が割れるなどの問題が回避され、したがって、セパレータの一方の面におけるマニホールド孔の周囲を取り囲み燃料電池構成部品の周囲をシールするように、ガスケットが容易に且つ適切に一体に成形されたセルを製造することができる。

（８） 前記密着手段が、前記セパレータの表面に対して前記多孔質体を加圧するものであることを特徴とする（７）項に記載の燃料電池の製造装置。

（８）項の発明では、（７）項に記載の発明において、密着手段が、セパレータの表面に対して多孔質体を加圧するものであることにより、多孔質体が変形している場合であっても、セパレータの平坦な表面に多孔質体が加圧されて全面にわたって密着するよう確実に矯正され、スポット溶接手段によって固着されるために、多孔質体の平坦に矯正された状態を維持することができる。

（９） 前記密着手段が、前記多孔質体を吸着する平坦面を有することを特徴とする（７）項に記載の燃料電池の製造装置。

（９）項の発明では、（７）項の発明において、密着手段が、多孔質体を吸着する平坦面を有することにより、多孔質体が変形している場合であっても、この多孔質体を密着手段の平坦面に吸着させることによって多孔質体の変形が確実に矯正されるため、セパレータの平坦な表面に密着させて積層することができる。

本発明によりセパレータとこれに隣接して積層される多孔質体とを互いにスポット溶接する状態を説明するために示した断面図である。 本発明によりセパレータと反りが生じた多孔質体とをスポット溶接して矯正した状態を説明するために示した正面図である。 図２に示したセパレータと多孔質体との上にＭＥＧＡが積層されてインサートされた状態のガスケット成形用の金型を説明するために示した断面図である。 ガスケットが成形された複数のセルを積層する様子を説明するために示した断面図である。

最初に、本発明の燃料電池の製造装置の実施の一形態を、主に図１および図３に基づいて詳細に説明する。なお、図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明の燃料電池の製造装置は、概略、複数のセル１を積層してなり、各セル１が、多孔質体２２，２３を含む燃料電池構成部品２と、セパレータ３と、締結時に隣接するセル１のセパレータ３のマニホールド孔３ｈを互いに連通するマニホールドＭを構成するために成形されたガスケット４とを備えている燃料電池を製造するためのものであって、多孔質体２３，２４を含む燃料電池構成部品２とセパレータ３とがインサートされてガスケット４を成形する金型７０，７１を含むガスケット成形装置７と、金型７０，７１にインサートされる前に多孔質体２３，２４をセパレータ３と全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置５とを備えており、この固着装置５は、セパレータ３の平坦な表面に対して多孔質体２３，２４を全面にわたって密着させる密着手段（後述する）と、セパレータ３と全面にわたって密着された多孔質体２３，２４とをスポット溶接するスポット溶接手段５１とを備えている。

この実施の形態で製造される燃料電池のセル１は、図４に参照されるように、セパレータ３の一方の側に主な燃料電池構成部材２が積層され、燃料電池構成部材２の周囲とセパレータ３の燃料電池構成部材２が積層される面にガスケット４が一体に成形される。燃料電池構成部材２を構成する部品としては、ＭＥＡ２１の両側にガス拡散層２２，２２が積層されてなるＭＥＧＡ２０と、燃料電池として組み立てられたときにＭＥＧＡ２０の両側にそれぞれ積層されるセパレータ側多孔質体２４およびそのセル１におけるセパレータ３と反対側に積層される反セパレータ側多孔質体２３とを含んでいる。セパレータ側多孔質体２４および反セパレータ側多孔質体２３は、たとえばチタンなどの導電性を有する金属により構成されており、所謂エキスパンドメタルのように機械加工によって形成され、あるいは焼結により成形されたものが用いられている。

この実施の形態におけるセパレータ３は、これに積層される燃料電池構成部材２のセパレータ側多孔質体２４と接する第１プレート３１と、積層される他のセル１の燃料電池構成部材２の反セパレータ側多孔質体２３と接する第２プレート３２と、第１プレート３１と第２プレート３２との間に積層される中間プレート３３とからなるもので、セパレータ３の外周縁には、水素や空気等の反応ガス、あるいは冷却媒体を供給または排出させるためのマニホールド孔３ｈが形成されており、セパレータ３の内部には、所定のマニホールド孔３ｈと連通して、水素や空気等の反応ガス、あるいは冷却媒体を循環供給するための流路３４が形成された、所謂三層構造となっている。第１プレート３１、第２プレート３２、および中間プレート３３は、導電性を有する金属により構成されている。セパレータ３の表面を構成する第１プレート３１と第２プレート３２の表面は平坦で滑らかに成形されている。

ガスケット４は、セパレータ３のマニホールド孔３ｈの周囲を取り囲むように成形され、燃料電池構成部材２の外周端面と、セパレータ３の燃料電池構成部材２が積層された側の表面における外周縁とを覆うように形成される基部４０と、基部４０の一方の面に燃料電池構成部材２よりも突出するように形成されて、積層時に隣接する他のセル１のセパレータ３に当接されるリップ部４１とを有する形状に成形される。

図１に示すように、本発明の固着装置５は、上治具５２と下治具５３とを備えており、上治具５２は、下治具５３に対して開閉するよう任意の位置に移動し、さらには、セパレータ３に積層された多孔質体２３，２４の変形を矯正するよう加圧することが可能なように、ロボットのアーム５４により支持されている。上治具５２を支持しているロボットのアーム５４は、平滑なセパレータ３の表面に対して多孔質体２３，２４を加圧する（図１の矢印Ｐを参照）ことにより密着させる密着手段を構成する。上治具５２と下治具５３の対向面には、多孔質体２３，２４の大きさにそれぞれ応じて凹部５２ａ、５３ａが形成されており、凹部５２ａ、５３ａ内には通気性を有する部材５６，５７がそれぞれ配設されている。通気性部材５６，５７の互いの対向面は、上治具５２と下治具５３の周囲の対向面と連続する平坦面が形成されている。上治具５２と下治具５３には、真空ポンプなどの減圧手段が接続されると共に凹部５２ａ、５３ａ内にそれぞれ開口する通路５５が形成されている。通気性部材５６，５７の対向する表面は、密着手段の多孔質体２３，２４を吸着する平坦面をそれぞれ構成している。下治具５３の上面には、セパレータ３の略対角線上に位置する角部近傍に形成された位置決め孔３ａを挿通するためのピン５８が立設されている。なお、密着手段は、上治具５２と下治具５３に設けられた通気性部材５６，５７と、凹部５２ａ、５３ａに開口する通路５５と接続された減圧手段とにより構成された真空吸着機構に限定されることはなく、たとえば静電吸着機構など、他の手段を採用することもできる。

さらに、上治具５２と下治具５３の、多孔質体２３，２４の角部近傍と対応する位置には、その対向面から反対側面まで貫通するパイプ５９が設けられている。パイプ５９の内径は、スポット溶接手段５１の電極６０、６１が接触することなく挿通しうる大きさを有している。スポット溶接手段５１は、セパレータ３と多孔質体２３，２４を挟み込み加圧することができるよう進退可能（図１の矢印Ｍを参照）に設けられた電極６０，６１と、電極６０，６１に接続されて所定の電流を印加する溶接電源とを備えている。なお、スポット溶接手段５１の電極６０，６１は、各パイプ５９に対してそれぞれ進退可能に設けることもできるが、一対の電極６０，６１を順次移動させて各パイプ５９に挿通させるよう構成することもできる。

図３に示すように、ガスケット成形装置７は、多孔質体２３，２４を含む燃料電池構成部品２とセパレータ３とがインサートされて所定形状のガスケット４を成形するためのキャビティを形成する金型７０，７１と、金型７０，７１を相対的に移動させて開閉させると共に所定の圧力で型締する型開閉機構と、金型７０，７１内に形成されるキャビティにガスケット４の材料を射出充填する射出装置７３とを備えている。

この実施の形態においては、下型７１に多孔質体２４とセパレータ３が嵌められるよう収容される収容部７１ａが型彫されており、上型７０に多孔質体２３とＭＥＧＡ２０を収容する収容部７０ａと、その周囲にガスケット４を成形するためのキャビティ面７０ｂとが型彫されている。また、下型７１の角部近傍にはタイバー７４が立設されており、上型７０の対応する位置にはタイバー７４を摺動可能に挿通する挿通部７５が設けられている。さらに、上型７０には射出装置７３が設けられ、射出装置７３のノズルからキャビティ面７０ｂに開口する材料供給路７６が形成されている。

次に、本発明の燃料電池の製造方法の実施の形態を、上述したように構成された燃料電池の製造装置を用いる場合により、その作動と共に詳細に説明する。なお、この実施の形態においては、セパレータ３の両面に、多孔質体２３，２４を同時にそれぞれスポット溶接する場合を示す。
本発明の燃料電池の製造方法は、概略、マニホールド孔３ｈが形成されたセパレータ３と多孔質体２３，２４を含む燃料電池構成部品２とを積層して金型７０，７１内にインサートし、セパレータ３のマニホールド孔３ｈの周囲にガスケット４を成形することによりセル１を構成し、このセル１を複数積層することにより燃料電池構成部品２をセパレータ３，３間で挟持すると共に隣接するセル１のセパレータ３のマニホールド孔３ｈをガスケット４により互いに連通してマニホールドＭを構成するものであって、セパレータ３に対して、このセパレータ３に隣接して積層される多孔質体２３，２４を全面にわたって密着させてスポット溶接し、その後、他の燃料電池構成部品２を積層して金型７０，７１内にインサートし、セパレータ３のマニホールド孔３ｈの周囲にガスケット４を成形するものである。

燃料電池の各セル１を製造するに際しては、図１に示した上治具５２を下治具５３上から退避した位置、または、下治具５３から充分に離間した位置に移動させる。下治具５３の周囲には多孔質体２３、セパレータ３、および多孔質体２４をそれぞれ供給する位置が設定されている。ロボットのアーム５４は、最初に、積層されたときに隣接する他のセルの多孔質体２４が供給される位置に上治具５２を移動させる。このとき、図１の矢印Ｖのように、真空ポンプなどの減圧手段が駆動されており、上治具５２の凹部５２ａ内が減圧されているため、積層されたときに隣接する他のセル１の多孔質体２４が吸着されることとなる。このとき、多孔質体２４に反り（図２の鎖線を参照）などの変形が生じている場合であっても、上治具５２の通気性部材５６の平坦な表面に吸着されることによって、その変形が矯正されることとなる。そして、ロボットのアーム５４を駆動して多孔質体２４を吸着している上治具５２を下治具５３上の所定の位置に移動させ、吸着を解除して多孔質体２４を下治具５３上に載置する。このとき、図１の矢印Ｐで示したように、ロボットのアーム５４の駆動によって上治具５２を下治具５３に向かって押し付けるように加圧すると、多孔質体２４は上治具５２と下治具５３の通気性部材５６，５７の平坦な表面の間で挟まれるようにして加圧され、確実に反りなどの変形を矯正することができる。さらに、図１に矢印Ｖで示すように、真空ポンプなどの減圧手段の駆動によって、下治具５３の凹部５３ａ内が減圧されており、この下治具５３上に載置された多孔質体２４は、通気性部材５７の平坦な表面に吸着され、さらに確実に変形を矯正されることとなる。

多孔質体２４の吸着を解除すると、ロボットのアーム５４は、次に、下治具５３上から一のセル１のセパレータ３の供給位置まで上治具５２を移動させる。このとき、下治具５３上には多孔質体２３が位置決め配置されている。

次いで、セパレータ３が供給される位置に上治具５２を移動させ、減圧手段の駆動によって上治具５２の凹部５２ａ内を減圧することによってセパレータ３を上治具５２に吸着させて下治具５３上に移動させ、下治具５３のピン５８にセパレータ３の位置決め孔３ａを挿通させてから吸着を解除し、既に下治具５３上に載置されている多孔質体５４上にセパレータ３を載置する。このとき、図１の矢印Ｐで示したように、ロボットのアーム５４の駆動によって上治具５２を下治具５３に向かって押し付けるようにすると、多孔質体２４はセパレータ３を介して上治具５２と下治具５３の通気性部材５６，５７の平坦な表面の間で挟まれるようにして加圧され、下治具５３の通気性部材５７の平坦な表面と、セパレータ３の平坦な表面とに倣わせるようにして確実に反りなどの変形を確実に矯正することができる。

続いて、ロボットのアーム５４の駆動によって、そのセル１における多孔質体２３が供給される位置に上治具５２を移動させ、多孔質体２３を上治具５２に吸着させ、これによって多孔質体２３の変形を矯正しつつ下治具５３上にピン５８によって位置決め載置されたセパレータ３上に移動させ、さらに下方に向かって加圧することにより、セパレータ３の平坦な表面に多孔質体２３を押し付けるようにすることにより多孔質体２３の変形を確実に矯正してその全面にわたってセパレータ３に密着させる。

その後、スポット溶接手段５１の両電極６０，６１をパイプ５９の中に挿通して多孔質体２３，２４とセパレータ３を挟みこむように加圧し、電流を印加してスポット溶接することにより、多孔質体２３，２４とセパレータ３の間にはナゲットＮが形成され、図２に示すように、多孔質体２３，２４がそれぞれ全面にわたってセパレータ３に密着した状態で一体に固着され、この状態が維持される。

なお、この実施の形態では、セパレータ３に対して、そのセル１においてセパレータ３と隣接して積層される多孔質体２３と、このセパレータ３と隣接して積層される他のセル１の多孔質体２４とを同時にスポット溶接するため、効率よく燃料電池を製造することができる。しかしながら、本発明は、この実施の形態に限定されることはなく、一のセル１においてセパレータ３の一方の面のみに対して隣接して積層される多孔質体２３をスポット溶接してもよく、また、一のセル１においてセパレータ３の一方の面のみに対して隣接して積層される多孔質体２３をスポット溶接する工程と、このセパレータ３と隣接して積層される他のセル１の多孔質体２４をスポット溶接する工程とを個別に行ってもよい。

また、本発明では、下治具５３上に最初に位置決めされた多孔質体２４を基準としてその上にセパレータ３と多孔質体２３を正確な位置に積層することができる。そして、多孔質体２３，２４とセパレータ３の供給位置上や下治具５３上にカメラを設置して、多孔質体２３，２４とセパレータ３の位置を検知し、下治具５３上に載置された多孔質体２４およびこれに積層されたセパレータ３の位置に対して、セパレータ３およびこれに積層される多孔質体２３、あるいはさらにＭＥＧＡ２０を吸着して上治具５２を移動させ積層するために、上治具５２を支持しているロボットのアーム５４の駆動に各位置情報をフィードバックして制御するよう構成して、燃料電池の各構成部品２およびセパレータ３の積層を自動化させることができる。

変形を矯正された多孔質体２３，２４がセパレータ３の両面にそれぞれ全面にわたって密着しスポット溶接によって固着されると、上治具５２と下治具５３を離間させて一体となった多孔質体２３，２４とセパレータ３を上治具５２と下治具５３の間から取り出し、上型７０と下型７１を離間させて型開きさせた状態として、図３に示すように、下型７１の収容部７１ａに多孔質体２４とセパレータ３を嵌め込むように収容してセパレータ３にスポット溶接された多孔質体２３に対してＭＥＧＡ２０を積層し、上型７０と下型７１を衝合させて型閉じし所定の力で型締した状態を維持する（型締）。上型７０と下型７１にインサートされたセパレータ３の一方の面と多孔質体２３およびＭＥＧＡ２０の周囲と上型７０のキャビティ面７０ｂとによって、成形するガスケット４の形状に応じたキャビティが形成される。本発明では、金型７０，７１内にセパレータ３と燃料電池構成部品２をインサートして型締するに先立って、多孔質体２３，２４の反りなどの変形を予め矯正してセパレータ３と全面にわたって密着させた状態でスポット溶接して維持するので、従来の技術のように多孔質体２３，２４が型閉じ時に金型７０，７１に局所的に接触し押圧されることにより位置ズレが生じたり、多孔質体２３と積層されたＭＥＧＡ２０のガス拡散層２２に対して応力が部分的に集中して、ガス拡散層２２に割れが生じることなどを確実に防止することができる。

続いて、射出装置７３により材料供給路７６を介して所定量のガスケット４の材料を所定の圧力、所定の速度でキャビティ内に射出充填する。その後、ガスケット４の材料が固化または硬化したら、上型７０と下型７１を離間させて型開きし、図４に示すように、一のセル１におけるセパレータ３、多孔質体２３、ＭＥＧＡ２０、およびガスケット４と、この一のセル１に隣接する他のセル１の多孔質体２４とが一体となったものを複数製造し、積層して荷重を付与しエンドプレート間で締結することにより、燃料電池を製造する。

この実施の形態では、複数のセル１を積層することにより、一のセル１におけるＭＥＧＡ２０のガス拡散層２２に他のセル１のセパレータ３とスポット溶接された多孔質体２４が積層される。そして、一のセル１のガスケット４がこれに隣接して積層される他のセル１のセパレータ３に当接され所定の荷重が付与された状態で締結されることにより、各セル１に反応ガス（水素、空気等）や冷却媒体をそれぞれ分配・供給するためのマニホールドＭが形成されることとなる。

次に、本発明の燃料電池を、上述したように構成された燃料電池の製造装置を用いて、上述したように構成された方法にしたがって製造されたものである場合により、主に図２および図４に基づいて詳細に説明する。
本発明の燃料電池は、概略、複数のセル１を積層してなり、各セル１が、多孔質体２３，２４を含む燃料電池構成部品２と、セパレータ３と、締結時に隣接するセル１のセパレータ３のマニホールド孔３ｈを互いに連通するマニホールドＭを構成するために成形されたガスケット４とを備えているものであって、セパレータ３に対して、このセパレータ３に隣接して積層される多孔質体２３，２４が全面にわたって密着されてスポット溶接されている。

図２に示したように、この実施の形態においては、セパレータ３に対して、そのセル１においてセパレータ３と隣接して積層される多孔質体２３と、このセパレータ３と隣接して積層される他のセル１の多孔質体２４とがスポット溶接されている。多孔質体２３，２４は、その成形の過程で反りなどの変形が生じていることがある（図２の鎖線を参照）。このような変形は、ガスケット４を成形すべく金型７０，７１にインサートしたときに、金型７０，７１に局所的に押圧されて位置ズレが生じたり、多孔質体２３，２４と積層されるガス拡散層２２に応力が部分的に集中してガス拡散層２２に割れが生じるなどのおそれがある。

しかしながら、本発明では、多孔質体２３，２４を上治具５２と下治具５３に真空吸着または静電吸着することにより、上治具５２と下治具５３の対向する平坦面に倣わせるようにしてその変形を矯正し、また、ロボットのアーム５４によって多孔質体２３，２４を上治具５２と下治具５３の間で加圧することにより上治具５２と下治具５３の互いに対向する平坦面と平坦なセパレータ３の表面に倣わせるようにしてその変形を矯正して、セパレータ３の表面に対して多孔質体２３，２４をその全面にわたって密着させ、スポット溶接によって固着することにより密着した状態が維持されている。そのため、上述した従来の技術のような問題が生じるのを確実に防止することができる。したがって、図４に示したように、このように製造された複数のセル１を積層して組み立てることにより、品質が保証された燃料電池を得ることができる。

なお、上述した実施の形態では、一のセル１においてセパレータ３と隣接して積層される多孔質体２３と、このセパレータ３と隣接して積層される他のセル１の多孔質体２４とが、それぞれセパレータ３の各面に対してスポット溶接されているため、効率よく燃料電池を製造することが可能な構造となっている。しかしながら、本発明は、この実施の形態に限定されることはなく、一のセル１においてセパレータ３の一方の面のみに対して隣接して積層される多孔質体２３がスポット溶接されたもの、また、一のセル１においてセパレータ３の一方の面のみに対して隣接して積層される多孔質体２３がスポット溶接され、これとは別に、このセパレータ３と隣接して積層される他のセル１の多孔質体２４がスポット溶接されたものも含まれる。

本発明は、燃料電池のセルを製造するための装置に利用することができる。また、本発明は、ガスケットが成形された燃料電池のセルに利用することができる。さらに、本発明は、ガスケットを成形する燃料電池のセルの製造方法に利用することができる。

１：セル、 ２：燃料電池構成部材、 ３：セパレータ、 ３ｈ：マニホールド孔、 ４：ガスケット、 ５：固着装置、 ７：ガスケット成形装置、 Ｍ：マニホールド、 ２３，２４：多孔質体、 ５１：スポット溶接手段、 ５６，５７：平坦な表面を有する通気性部材、 ６０，６１：電極、 ７０，７１：金型、 ７３：射出装置

Claims (3)

1. マニホールド孔が形成されたセパレータと多孔質体を含む燃料電池構成部品とを積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することによりセルを構成し、該セルを複数積層することにより前記燃料電池構成部品をセパレータ間で挟持すると共に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔をガスケットにより互いに連通してマニホールドを構成する燃料電池の製造方法であって、
   前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体を全面にわたって密着させてスポット溶接し、
   その後、他の燃料電池構成部品を積層して金型内にインサートし、前記セパレータのマニホールド孔の周囲にガスケットを成形することを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 複数のセルを積層してなり、
   各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池であって、
   前記セパレータに対して、該セパレータに隣接して積層される多孔質体が全面にわたって密着されてスポット溶接されていることを特徴とする燃料電池。
3. 複数のセルを積層してなり、
   各セルが、多孔質体を含む燃料電池構成部品と、セパレータと、締結時に隣接するセルのセパレータのマニホールド孔を互いに連通するマニホールドを構成するために成形されたガスケットとを備えている燃料電池の製造装置であって、
   前記多孔質体を含む燃料電池構成部品とセパレータとがインサートされてガスケットを成形する金型を含むガスケット成形装置と、前記金型にインサートされる前に前記多孔質体をセパレータと全面にわたって密着するよう積層して一体に固着する固着装置とを備えており、該固着装置は、
   前記セパレータの表面に対して前記多孔質体を全面にわたって密着させる密着手段と、
   セパレータと全面にわたって密着された多孔質体とをスポット溶接するスポット溶接手段とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造装置。

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