JP2010272317A - 燃料電池の製造装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、セルユニットの組み立て作業を効率的且つ良好に行うことを可能にする。
【解決手段】溶着装置１２０は、作業台１２４上に、セルユニット１２の孔部１１６に連結ピン部１１２を挿入した状態で、前記孔部１１６の外周を押圧保持する円筒部材１３２と、円筒部材１３２により前記孔部１１６の外周が押圧保持された状態で、前記連結ピン部１１２の端部を溶着する溶着チップ１３４とを備える。溶着チップ１３４により連結ピン部１１２の端部が溶着される際、円筒部材１３２は、樹脂製締結部１１０ｃに直接接触し、セルユニット１２を締め付け荷重が付与された際の高さに維持する機能を有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを備え、前記セルユニットを一体化させて燃料電池を製造する燃料電池の製造装置及びその製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。

この従来の燃料電池は、第１及び第２セパレータの外周を、複数個所で保持する複数の金属クリップ部材を備え、前記金属クリップ部材は、側板部と、前記側板部の端部で屈曲して前記第１及び第２セパレータの外周を把持する第１及び第２舌片部とを有し、前記第１及び第２舌片部は、前記側板部よりも長尺に構成されるとともに、ばね性を備えている。

特開２００４−２４１２０８号公報

上記の燃料電池では、各燃料電池毎に複数箇所に金属クリップ部材を装着する作業が必要である。このため、金属クリップ部材の装着作業が煩雑化し、特に数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを組み立てる際に、作業に相当の時間と手間がかかってしまう。これにより、効率的な組み立て作業が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、セルユニットの組み立て作業を効率的且つ良好に行うことが可能な燃料電池の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを備え、前記セルユニットを一体化させて燃料電池を製造する燃料電池の製造装置に関するものである。

この製造装置は、セルユニットに設けられた孔部に樹脂製結合ピンを挿入した状態で、前記孔部の外周を押圧保持する押圧部材と、前記押圧部材により前記孔部の外周が押圧保持された状態で、前記樹脂製結合ピンの端部を溶着する溶着部材とを備えている。

また、孔部は、セルユニットに設けられた樹脂部材に形成されるとともに、押圧部材は、前記樹脂部材を押圧することが好ましい。

さらに、押圧部材は、円筒形状を有するとともに、前記押圧部材の中空内壁面は、溶着部材をガイドするガイド面を構成することが好ましい。

さらにまた、押圧部材は、孔部を跨いで配置される平面視コ字状を有することが好ましい。

また、溶着部材は、樹脂製結合ピンの端部に接触する溶着面が、角に湾曲部を有する凹形状に設定されることが好ましい。

さらに、この製造装置は、複数の溶着部材を一体に駆動させて、複数の樹脂製結合ピンの端部に同時に溶着処理を行うアクチュエータを備えることが好ましい。

さらにまた、本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを備え、前記セルユニットを一体化させて燃料電池を製造する燃料電池の製造方法に関するものである。

この製造方法は、セルユニットに設けられた孔部に樹脂製結合ピンを挿入した状態で、前記セルユニットを配置させる工程と、前記樹脂製結合ピンの端部を溶着して前記セルユニットを一体化させる工程とを有している。

また、押圧部材により孔部の外周が押圧保持された状態で、樹脂製結合ピンの端部を溶着することが好ましい。

さらに、孔部は、セルユニットに設けられた樹脂部材に形成されるとともに、押圧部材は、前記樹脂部材を押圧することが好ましい。

さらにまた、押圧部材は、円筒形状を有するとともに、前記押圧部材の中空内壁面により溶着部材がガイドされることが好ましい。

また、押圧部材は、孔部を跨いで配置される平面視コ字状を有することが好ましい。

さらに、溶着部材は、樹脂製結合ピンの端部に接触する溶着面が、角に湾曲部を有する凹形状に設定されることが好ましい。

さらにまた、この製造方法は、複数の溶着部材を一体に駆動させて、複数の樹脂製結合ピンの端部に同時に溶着処理を行うことが好ましい。

本発明によれば、セルユニットに設けられた孔部に樹脂製結合ピンが挿入された状態、前記樹脂製結合ピンの端部が溶着されることにより、前記セルユニットが一体化されている。このため、簡単な構成及び工程で、セルユニットの組み立て作業を効率的且つ良好に行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る製造方法が適用される燃料電池の要部分解斜視説明図である。 セルユニットを構成する第１セパレータの一方の面側の説明図である。 前記セルユニットを構成する第２セパレータの一方の面側の説明図である。 前記セルユニットを構成する第３セパレータの一方の面側の説明図である。 前記セルユニットを構成する連結ピン部の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記連結ピン部にリビルトピンが挿入される際の、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面図断面説明図である。 第１の実施形態に係る溶着装置の概略斜視説明図である。 前記溶着装置の要部断面説明図である。 前記連結ピン部により前記セルユニットを組み立てる際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る溶着装置の要部説明図である。 前記溶着装置の要部斜視説明図である。 他の燃料電池の要部分解斜視説明図である。 セルユニットを構成する連結ピン部の断面説明図である。 別の燃料電池を構成するセルユニットの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る製造方法が適用される燃料電池１０は、複数のセルユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。セルユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。

アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。固体高分子電解質膜２２、アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

セルユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

セルユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

セルユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記セルユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

図２に示すように、第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６の裏面形状である。

第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

図１に示すように、第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

図４に示すように、第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。

第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口（上端部）及び出口（下端部）近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、第１燃料ガス流路３６及び第２酸化剤ガス流路６６の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。

第１〜第３シール部材７４、７６及び７８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する入口側第１連結流路８０ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する出口側第１連結流路８０ｂとが設けられる。入口側第１連結流路８０ａは、複数の外側供給孔部８２ａと複数の内側供給孔部８２ｂとを有する。

図１に示すように、面１４ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと各外側供給孔部８２ａとを連通する複数の通路８４ａが設けられる。図２に示すように、面１４ｂ側には、外側供給孔部８２ａと内側供給孔部８２ｂとを連通する複数の通路８４ｂが形成される。出口側第１連結流路８０ｂは、同様に、複数の外側排出孔部８６ａと複数の内側排出孔部８６ｂとを有する。

面１４ａ側には、燃料ガス出口連通孔３２ｂと各外側排出孔部８６ａとを連通する複数の通路８８ａが形成される。面１４ｂ側には、外側排出孔部８６ａと内側排出孔部８６ｂとを連通する複数の通路８８ｂが形成される（図２参照）。

図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第１酸化剤ガス流路５０との連通部分には、複数の入口側連結流路８９ａ及び複数の出口側連結流路８９ｂを形成する複数の受け部９０ａ、９０ｂが設けられる。

第２セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する入口側第２連結流路９２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する出口側第２連結流路９２ｂとが設けられる。入口側第２連結流路９２ａは、供給孔部９４を有する。面１８ａ側には、燃料ガス入口連通孔３２ａと供給孔部９４とを連通する通路９６ａが形成される。

出口側第２連結流路９２ｂは、同様に、複数の排出孔部９８を有する。面１８ａ側には、排出孔部９８を燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の通路１００ａが形成される。

図４に示すように、第３セパレータ２０には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと第２酸化剤ガス流路６６の連通部分には、複数の入口側連結流路１０１ａ及び複数の出口側連結流路１０１ｂを形成する複数の受け部１０２ａ、１０２ｂが設けられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の外周縁部には、樹脂製締結部１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃがそれぞれ複数設けられる。樹脂製締結部１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ポリイミド又はＡＢＳ樹脂等で構成される。

樹脂製締結部１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃは、予め、絶縁樹脂で成形した成形品を、かしめや接着等によって第１セパレータ１４〜第３セパレータ２０を構成する金属プレートに設けられた切り欠き部に固定し、あるいは、前記金属プレートの前記切り欠き部に絶縁樹脂を一体で射出成形してもよい。

図１、図２及び図５に示すように、第１セパレータ１４に設けられる樹脂製締結部１１０ａは、面１４ａ側に突出する連結ピン部（樹脂製結合ピン）１１２を一体形成する。連結ピン部１１２の両側には、後述するリビルトピン１１８を選択的に配置可能な、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

図１に示すように、第２及び第３セパレータ１８、２０に設けられた樹脂製締結部１１０ｂ、１１０ｃには、中央に連結ピン部１１２が挿入される新規組み付け時締結用の孔部１１６が形成されるとともに、前記孔部１１６の両側には、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

図１及び図６に示すように、連結ピン部１１２に代えて用いられるリビルトピン１１８は、樹脂製締結部１１０ａ〜１１０ｃと同様に、絶縁樹脂で構成される。このリビルトピン１１８は、第１セパレータ１４の第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂよりも大径に設定され、前記第１セパレータ１４の面１４ｂ側に当接する大径なフランジ部１１８ａを有する。

フランジ部１１８ａから膨出する柱体部１１８ｂは、各第１孔部１１４ａ又は第２孔部１１４ｂに選択的に挿入される。柱体部１１８ｂの先端は、後述する溶着処理によって大径化された頭部１１８ｃを構成し、この頭部１１８ｃは、第３セパレータ２０の面２０ｂ側に係止される。

なお、リビルトピン１１８は、予め、頭部１１８ｃを形成しておき、この頭部１１８ｃに軸方向に複数のスリットを設けることにより径方向に拡縮自在に構成してもよい。

図７は、連結ピン部１１２の端部及びリビルトピン１１８の端部に溶着処理を施す第１の実施形態に係る溶着装置（製造装置）１２０の概略斜視説明図である。

溶着装置１２０は、架台１２２上に配置される作業台１２４を備える。作業台１２４の外方には、複数の支柱１２６が立設されるとともに、前記支柱１２６の上部には、昇降アクチュエータ（例えば、リニアモータ等）１２８が装着される。この昇降アクチュエータ１２８には、昇降ベース１３０が取り付けられる。

昇降ベース１３０には、連結ピン部１１２及びリビルトピン１１８に対応して、例えば、６台の円筒部材（押圧部材）１３２と溶着チップ（溶着部材）１３４とが、同軸上に設けられる。図８に示すように、溶着チップ１３４により連結ピン部１１２の端部が溶着される際、円筒部材１３２は、樹脂製締結部１１０ｃに直接接触し、セルユニット１２を、燃料電池１０に締め付け荷重が付与された際の高さに維持する機能（例えば、自重及びスプリング１３６による弾性力）を有する。

溶着チップ１３４は、円筒部材１３２内を、スプリング１３６を介して相対的に摺動可能であるとともに、前記円筒部材１３２の中空内壁面１３２ａは、前記溶着チップ１３４をガイドするガイド面を構成する。

溶着チップ１３４は、所定の温度、例えば、２５０℃〜３００℃の温度に加熱されるとともに、前記溶着チップ１３４の先端側には、所定の形状、すなわち、連結ピン部１１２の頭部１１２ａ及びリビルトピン１１８の頭部１１８ｃに対応する形状を有する溶着面１３４ａが設けられる（図８参照）。溶着面１３４ａは、角に湾曲部１３４ｂを有する凹形状に設定される。

溶着チップ１３４は、所定の温度に加熱された状態で、連結ピン部１１２の端部及びリビルトピン１１８の端部に押圧される。具体的には、２５０℃〜３００℃の温度に加熱された溶着チップ１３４は、連結ピン部１１２の端部及びリビルトピン１１８の端部に１０秒〜３０秒間、１Ｎ〜２Ｎの圧力で押圧される。

このように構成される燃料電池１０を組み立てる作業について、以下に説明する。

各セルユニット１２の新規組み立て時には、図８に示すように、溶着装置１２０を構成する作業台１２４上で、第１セパレータ１４の樹脂製締結部１１０ａに設けられている連結ピン部１１２が、第２及び第３セパレータ１８、２０の樹脂製締結部１１０ｂ、１１０ｃに設けられている各孔部１１６に一体に挿入される。

この状態で、溶着装置１２０を構成する昇降アクチュエータ１２８の作用下に、昇降ベース１３０が下降する。従って、昇降ベース１３０に設けられている円筒部材１３２は、自重及びスプリング１３６の弾性力を介し、セルユニット１２を積層方向に押圧する。セルユニット１２は、円筒部材１３２が第３セパレータ２０に設けられた樹脂製締結部１１０ｃに直接接触することにより、樹脂製締結部１１０ａ〜１１０ｃが積層方向に圧縮され、燃料電池１０に締め付け荷重が付与された際の高さに維持される。

この状態で、昇降ベース１３０に設けられている６台の溶着チップ１３４は、各円筒部材１３２の中空内壁面１３２ａにガイドされながら、各連結ピン部１１２側に移動する（図８参照）。従って、各円筒部材１３２の各中空内壁面１３２ａは、各連結ピン部１１２の先端に当接して前記連結ピン部１１２の先端を加熱押圧する（図９参照）。このため、６つの連結ピン部１１２は、同時に溶着処理されて先端が溶融変形され、頭部１１２ａが形成されるため（図５参照）、セルユニット１２の一体化作業が一挙に効率的且つ簡単に遂行可能になる。

頭部１１２ａは、第３セパレータ２０の面２０ｂ側で拡径して孔部１１６よりも大径に成形される。これにより、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を一体に組み付けられ、セルユニット１２が製造される。次いで、所定数のセルユニット１２が積層されて燃料電池１０が構成される。

この場合、第１の実施形態では、セルユニット１２に設けられた孔部１１６に樹脂製の連結ピン部１１２が挿入された状態、前記連結ピン部１１２の端部が、溶着チップ１３４により溶着され、前記セルユニット１２が一体化されている。このため、簡単な構成及び工程で、セルユニット１２の組み立て作業を効率的且つ良好に行うことが可能になるという効果が得られる。

しかも、円筒部材１３２は、樹脂製締結部１１０ａ〜１１０ｃを積層方向に加圧している。従って、セルユニット１２は、円筒部材１３２により締め付け荷重付与時の高さに維持された状態で、連結ピン部１１２の端部が溶着されている。これにより、頭部１１２ａが形成されることにより一体化されたセルユニット１２は、高さを一定に確保することができる。このため、安定した頭部１１２ａ（溶着部位形状）を得ることが可能になる。

さらに、円筒部材１３２の中空内壁面１３２ａは、溶着チップ１３４をガイドするガイド面を構成している。従って、円筒部材１３２は、連結ピン部１１２の端部を正確且つ確実に溶着することができ、所望の頭部１１２ａを良好に得ることができる。

次に、燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される（図３及び図４参照）。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図２及び図３に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４と第２セパレータ１８との間に形成された通路８４ａ、９６ａに導入される。図２に示すように、通路８４ａに導入された燃料ガスは、外側供給孔部８２ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、通路８４ｂを通って内側供給孔部８２ｂから面１４ａ側に導入される。

このため、図２に示すように、燃料ガスは、通路８４ｂを通って入口バッファ部３８に送られ、第１燃料ガス流路３６に沿って、重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、通路９６ａに導入された燃料ガスは、図３に示すように、供給孔部９４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、図１に示すように、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図２に示すように、出口バッファ部４０から内側排出孔部８６ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。

図１に示すように、面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８６ａに導入され、再度、面１４ａ側に移動する。このため、図２に示すように、燃料ガスは、外側排出孔部８６ａから通路８８ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部９８を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、図３に示すように、通路１００ａを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４と第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

次に、組み立て後の燃料電池１０が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、連結ピン部１１２の頭部１１２ａが除去されて各セルユニット１２が互いに分離される。

一方、個別に構成されているリビルトピン１１８が用意される（図１参照）。そして、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０が、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持して積層された状態で、リビルトピン１１８が、例えば、各第１孔部１１４ａに一体に挿入される。

図６に示すように、リビルトピン１１８は、柱体部１１８ｂが各第１孔部１１４ａに一体に挿入されるとともに、フランジ部１１８ａが第１セパレータ１４に当接支持される。この状態で、柱体部１１８ｂの先端には、溶着装置１２０を構成する溶着チップ１３４を介して溶着処理が施され、頭部１１８ｃが形成される。従って、セルユニット１２は、リビルトピン１１８のフランジ部１１８ａと頭部１１８ｃとに一体的に挟持されて、再組み立てが行われる。

ここで、互いに隣接するセルユニット１２では、一方のセルユニット１２を構成する第１孔部１１４ａにリビルトピン１１８が挿入されるとともに、他方のセルユニット１２を構成する第２孔部１１４ｂにリビルトピン１１８が挿入されている。このため、互いに隣接するセルユニット１２では、各リビルトピン１１８同士が積層方向に沿って千鳥状に配置されることにより、前記リビルトピン１１８同士の干渉を阻止することができ、積層方向の寸法を可及的に短尺化することが可能になる。

また、セルユニット１２の再組み立て時に、リビルトピン１１８を各第１孔部１１４ａに一体に挿入する一方、前記セルユニットの再々組み立て時に、前記リビルトピン１１８を各第２孔部１１４ｂに一体に挿入することができる。これにより、セルユニット１２の組み立てが複数回にわたって容易に行われるため、前記セルユニット１２の部品交換や解析等の種々の処理が良好に遂行可能になる。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａや第２電解質膜・電極構造体１６ｂの改修や交換が必要になった際にも、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０を再利用することができる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る溶着装置（製造装置）１４０の要部説明図である。

なお、第１の実施形態に係る溶着装置１２０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

溶着装置１４０は、図１０及び図１１に示すように、孔部１１６を跨いで配置される平面視コ字状を有する押圧部材１４２を備える。この押圧部材１４２は、側面視Ｌ字状を有し、樹脂製締結部１１０ｃに接触する底辺部１４４には、連結ピン部１１２の端部を挿通するための凹部１４６が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、溶着チップ１３４により連結ピン部１１２の端部が溶着される際、押圧部材１４２は、樹脂製締結部１１０ｃに直接接触し、セルユニット１２を、燃料電池１０に締め付け荷重が付与された際の高さに維持する機能を有する。これにより、第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、燃料電池１０を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示す燃料電池１５０にも適用することができる。

燃料電池１５０は、複数のセルユニット１５２を積層して構成され、前記セルユニット１５２は、第１セパレータ１５４、電解質膜・電極構造体１５６及び第２セパレータ１５８を備える。なお、燃料電池１０と同様の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

セルユニット１５２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び冷却媒体入口連通孔３４ａが形成される。セルユニット１５２の長辺方向の下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂが形成される。

第１セパレータ１５４の電解質膜・電極構造体１５６に向かう面１４ａには、第１燃料ガス流路３６が形成され、第２セパレータ１５８の前記電解質膜・電極構造体１５６に向かう面２０ａには、第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１セパレータ１５４の面１４ｂと第２セパレータ１５８の面２０ｂとの間には、冷却媒体流路４４が形成される。

第１セパレータ１５４の外周縁部には、図１２及び図１３に示すように、複数の樹脂製締結部１６０ａが設けられるとともに、第２セパレータ１５８の外周縁部には、前記樹脂製締結部１６０ａに対応して樹脂製締結部１６０ｂが、複数設けられる。

樹脂製締結部１６０ａは、中央に連結ピン部１１２が一体成形されるとともに、前記連結ピン部１１２の両側に、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。樹脂製締結部１６０ｂは、中央部に孔部１１６が形成されるとともに、前記孔部１１６の両側に、少なくとも第１孔部１１４ａ及び第２孔部１１４ｂが形成される。

さらに、図１４に示す燃料電池１７０にも適用することができる。

燃料電池１７０は、セルユニット１７２を備える。セルユニット１７２を構成する第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０には、それぞれ外周縁部に樹脂製締結部１７４ａ、１７４ｂ及び１７４ｃが設けられる。第１セパレータ１４に設けられた樹脂製締結部１７４ａには、積層方向に膨出して連結ピン部１７６が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０には、孔部１１６を周回してテーパ面１７８が形成される。

この燃料電池１７０では、第１セパレータ１４の樹脂製締結部１７４ａに一体成形された連結ピン部１７６が、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０の各孔部１１６に一体に挿入された後、端部に溶着処理が施されることによって円錐状の頭部１７６ａが形成される。

この頭部１７６ａは、第３セパレータ２０のテーパ面１７８の形状に沿って成形されており、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び前記第３セパレータ２０を互いに位置決めした状態で組み立てることができる。

１０、１５０、１７０…燃料電池 １２、１５２、１７２…セルユニット
１４、１８、２０、１５４、１５８…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１５６…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、５８…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ５０、６６…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８…シール部材
１１０ａ〜１１０ｃ、１６０ａ、１６０ｂ、１７４ａ〜１７４ｃ…樹脂製締結部
１１２、１７６…連結ピン部 １１４ａ、１１４ｂ、１１６…孔部
１１８…リビルトピン １２０、１４０…溶着装置
１２８…昇降アクチュエータ １３０…昇降ベース
１３２…円筒部材 １３２ａ…中空内壁面
１３４…溶着チップ １３４ａ…溶着面
１３６…スプリング １４２…押圧部材

Claims (13)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを備え、前記セルユニットを一体化させて燃料電池を製造する燃料電池の製造装置であって、
   前記セルユニットに設けられた孔部に樹脂製結合ピンを挿入した状態で、前記孔部の外周を押圧保持する押圧部材と、
   前記押圧部材により前記孔部の外周が押圧保持された状態で、前記樹脂製結合ピンの端部を溶着する溶着部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造装置。
2. 請求項１記載の製造装置において、前記孔部は、前記セルユニットに設けられた樹脂部材に形成されるとともに、
   前記押圧部材は、前記樹脂部材を押圧することを特徴とする燃料電池の製造装置。
3. 請求項１又は２記載の製造装置において、前記押圧部材は、円筒形状を有するとともに、
   前記押圧部材の中空内壁面は、前記溶着部材をガイドするガイド面を構成することを特徴とする燃料電池の製造装置。
4. 請求項１又は２記載の製造装置において、前記押圧部材は、前記孔部を跨いで配置される平面視コ字状を有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造装置において、前記溶着部材は、前記樹脂製結合ピンの端部に接触する溶着面が、角に湾曲部を有する凹形状に設定されることを特徴とする燃料電池の製造装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造装置において、複数の前記溶着部材を一体に駆動させて、複数の前記樹脂製結合ピンの端部に同時に溶着処理を行うアクチュエータを備えることを特徴とする燃料電池の製造装置。
7. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるセルユニットを備え、前記セルユニットを一体化させて燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、
   前記セルユニットに設けられた孔部に樹脂製結合ピンを挿入した状態で、前記セルユニットを配置させる工程と、
   前記樹脂製結合ピンの端部を溶着して前記セルユニットを一体化させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 請求項７記載の製造方法において、押圧部材により前記孔部の外周が押圧保持された状態で、前記樹脂製結合ピンの端部を溶着することを特徴とする燃料電池の製造方法。
9. 請求項８記載の製造方法において、前記孔部は、前記セルユニットに設けられた樹脂部材に形成されるとともに、
   前記押圧部材は、前記樹脂部材を押圧することを特徴とする燃料電池の製造方法。
10. 請求項８又は９記載の製造方法において、前記押圧部材は、円筒形状を有するとともに、
    前記押圧部材の中空内壁面により前記溶着部材がガイドされることを特徴とする燃料電池の製造方法。
11. 請求項８又は９記載の製造方法において、前記押圧部材は、前記孔部を跨いで配置される平面視コ字状を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
12. 請求項７〜１１のいずれか１項に記載の製造方法において、前記溶着部材は、前記樹脂製結合ピンの端部に接触する溶着面が、角に湾曲部を有する凹形状に設定されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
13. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の製造方法において、複数の前記溶着部材を一体に駆動させて、複数の前記樹脂製結合ピンの端部に同時に溶着処理を行うことを特徴とする燃料電池の製造方法。

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