JP2014229515A - Device and method for manufacturing separator assembly for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータアッシーの製造装置、製造方法、及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator assembly manufacturing apparatus, a manufacturing method, and a fuel cell.
近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、発電機能を発揮する燃料電池セルが複数積層された構造を有する。固体高分子型燃料電池は、アノード側のアノードセパレータ及びカソード側のカソードセパレータを溶接によって接合したセパレータアッシーと、アノード側電極及びカソード側電極を電解質膜の両側に接合した膜電極接合体と、を交互に積層することによって製造される。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a power source with a low environmental load. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a plurality of fuel cells that exhibit a power generation function are stacked. The polymer electrolyte fuel cell comprises a separator assembly in which an anode separator on the anode side and a cathode separator on the cathode side are joined by welding, and a membrane electrode assembly in which the anode side electrode and the cathode side electrode are joined to both sides of the electrolyte membrane. Manufactured by stacking alternately.
アノードセパレータ及びカソードセパレータを溶接接合する際に、アノードセパレータ及びカソードセパレータを密着させるためにクランプする必要がある。これに関連して、例えば下記の特許文献1には、複数の治具を用いて溶接ライン以外をクランプした状態で、アノードセパレータ及びカソードセパレータを溶接接合する方法が記載されている。
When the anode separator and the cathode separator are joined by welding, it is necessary to clamp the anode separator and the cathode separator so as to adhere to each other. In relation to this, for example,
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、治具の平面度、セパレータの平面度のばらつきによってセパレータ同士間のクリアランスをなくしきれず、溶接不良が発生し歩留まりが低下する虞がある。
However, in the method described in
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、溶接不良が発生することなくセパレータアッシーを形成することのできる燃料電池用セパレータアッシーの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell separator assembly manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of forming a separator assembly without causing poor welding. And
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータアッシーの製造装置は、アノード側のアノードセパレータ及びカソード側のカソードセパレータを溶接によって接合した燃料電池用セパレータアッシーの製造装置である。燃料電池用セパレータアッシーの製造装置は、流体により発生する押圧力によって、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを密着させる密着手段と、前記密着手段によって前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとを密着させたままの状態で、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを溶接接合してセパレータアッシーを形成する溶接手段と、を有する。 A fuel cell separator assembly manufacturing apparatus according to the present invention that achieves the above object is a fuel cell separator assembly manufacturing apparatus in which an anode separator on an anode side and a cathode separator on a cathode side are joined by welding. An apparatus for manufacturing a separator assembly for a fuel cell has a close contact means for bringing the anode separator and the cathode separator into close contact with each other by a pressing force generated by a fluid, and the anode separator and the cathode separator are kept in close contact with each other by the close contact means. And welding means for welding and joining the anode separator and the cathode separator to form a separator assembly.
また、上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータアッシーの製造方法は、アノード側のアノードセパレータ及びカソード側のカソードセパレータを溶接によって接合した燃料電池用セパレータアッシーの製造方法である。燃料電池用セパレータアッシーの製造方法は、流体により発生する押圧力によって、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを密着させる密着工程と、前記密着工程によって前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとを密着させたままの状態で、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを溶接接合してセパレータアッシーを形成する溶接工程と、を有する。 The method for producing a fuel cell separator assembly according to the present invention that achieves the above object is a method for producing a fuel cell separator assembly in which an anode-side anode separator and a cathode-side cathode separator are joined together by welding. The manufacturing method of a fuel cell separator assembly includes a contact process in which the anode separator and the cathode separator are in close contact with each other by a pressing force generated by a fluid, and the anode separator and the cathode separator are in close contact with each other in the contact process. And a welding step of welding the anode separator and the cathode separator to form a separator assembly.
上記のように構成した燃料電池用セパレータアッシーの製造装置及び製造方法であれば、流体により発生する押圧力によってセパレータ同士を密着させるため、セパレータ同士間のクリアランスをなくした状態で、セパレータ同士を溶接接合することができる。よって、溶接不良が発生することなくセパレータアッシーを形成することができる。 With the manufacturing apparatus and method for a fuel cell separator assembly configured as described above, the separators are welded together without any clearance between the separators in order to bring the separators into close contact with each other by the pressing force generated by the fluid. Can be joined. Therefore, it is possible to form the separator assembly without causing poor welding.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.
図1は、燃料電池1を模式的に示す斜視図である。図2は、燃料電池1の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。図3(A)は、セパレータアッシー30を示す図であって、図3(B)は、図3(A)の3B−3B線に沿う断面図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the
燃料電池1は、図1に示すように、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)との反応により起電力を生じる燃料電池セル2を所定数だけ積層した積層体7を有する。積層体7の両端のそれぞれに、集電板3、絶縁板4、及びエンドプレート5を配置し、両端のエンドプレート5をダイロッド6により締結することによって、燃料電池1を構成する。燃料電池1内部において、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれを流通させるために、一方のエンドプレート5に、6つの貫通孔が形成される。6つの貫通孔は、燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12、冷却水排出口13を構成する。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池セル2は、図2に示すように、膜電極接合体20がアノード側のアノードセパレータ31及びカソード側のカソードセパレータ32によって挟持されて構成される。本実施形態に係る燃料電池1は、図2に示すように、セパレータアッシー(燃料電池用セパレータアッシー)30と、アノード側電極22及びカソード側電極23を電解質膜21の両端に接合した膜電極接合体20と、を交互に積層することによって製造される。
As shown in FIG. 2, the fuel cell 2 is configured such that the
セパレータアッシー30は、一の燃料電池セル2のアノードセパレータ31及び一の燃料電池セル2に隣接する燃料電池セル2のカソードセパレータ32が、図3(A)、(B)に示すように、溶接接合されることによって一体化されて形成される。アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接する際に走査する溶接ラインWを、図3(A)において二点鎖線で示す。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32は、導電性を有し、燃料電池セル2を複数個直列に接続して燃料電池1を構成する際に、それぞれの燃料電池セル2を電気的に接続する機能を有する。アノードセパレータ31は、アノード側電極22の電解質膜21が配置される面と反対側の面に設けられ、カソードセパレータ32は、カソード側電極23の電解質膜21が配置される面と反対側の面に設けられる。アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32は凹凸形状を有し、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。具体的には、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32によって囲まれる冷却水流路33に冷却水が流通される。また、アノードセパレータ31の両面のうち冷却水流路33の反対面に設けられる燃料ガス流路34に燃料ガスが流通される。また、カソードセパレータ32の両面のうち冷却水流路33の反対面に設けられる酸化剤ガス流路35に酸化剤ガスが流通される。
The
アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32には、図3(A)に示すように、燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12、及び冷却水排出口13に対応して、複数の導入マニホールド36及び排出マニホールド37が設けられている。導入マニホールド36及び排出マニホールド37は、冷却水流路33、燃料ガス流路34、または酸化剤ガス流路35に連通する。また、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32は、導入マニホールド36及び排出マニホールド37からそれぞれの流路33,34,35へ特定の媒体を流入、排出させるために、特定のマニホールド以外のマニホールド36,37の周りが、シール材(不図示)により封止されている。
As shown in FIG. 3A, the
膜電極接合体20は、アノード側電極22とカソード側電極23とが電解質膜21の両側に接合して形成される。
The
アノード側電極22は、アノード側触媒層221及びアノード側ガス拡散層222を有する。
The
アノード側触媒層221は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行する触媒層であり、電解質膜21の一方の側(図2において上側)に配置される。 The anode-side catalyst layer 221 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. The anode-side catalyst layer 221 is a catalyst layer in which a hydrogen oxidation reaction proceeds, and is on one side of the electrolyte membrane 21 (in FIG. 2). (Upper side).
アノード側ガス拡散層222は、アノード側触媒層221に燃料ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。アノード側ガス拡散層222は、アノード側触媒層221の電解質膜21が配置される面と反対側の面に配置される。
The anode side gas diffusion layer 222 has sufficient gas diffusibility and conductivity to supply fuel gas to the anode side catalyst layer 221. The anode side gas diffusion layer 222 is disposed on the surface of the anode side catalyst layer 221 opposite to the surface on which the
カソード側電極23は、カソード側触媒層231及びカソード側ガス拡散層232を有する。
The cathode side electrode 23 includes a cathode
カソード側触媒層231は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行する触媒層であり、電解質膜21の他方の側(図2において下側)に配置される。
The cathode-
カソード側ガス拡散層232は、カソード側触媒層231に酸化剤ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。カソード側ガス拡散層232は、カソード側触媒層231の電解質膜21が配置される面と反対側の面に配置される。
The cathode gas diffusion layer 232 has sufficient gas diffusibility and conductivity to supply the oxidant gas to the
電解質膜21は、アノード側触媒層221で生成したプロトンをカソード側触媒層231へ選択的に透過させる機能及びアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。
The
燃料ガスは、燃料ガス導入口8から導入され、燃料ガス流路34を流れ、燃料ガス排出口9から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口10から導入され、酸化剤ガス流路35を流れ、酸化剤ガス排出口11から排出される。冷却水は、冷却水導入口12から導入され、冷却水流路33を流れ、冷却水排出口13から排出される。
The fuel gas is introduced from the fuel gas inlet 8, flows through the fuel gas passage 34, and is discharged from the fuel gas outlet 9. The oxidant gas is introduced from the oxidant
次に、各構成部品の材質及びサイズ等について記述する。 Next, the material and size of each component will be described.
アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32は、例えば、ステンレス鋼板にプレス加工を施すことで成形される。ステンレス鋼板は、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。しかしながらステンレス鋼板に限定されず、その他の金属材料(例えば、アルミニウム板やクラッド材)、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、燃料ガス流路34及び酸化剤ガス流路35は、切削加工やスクリーン印刷によって成形することが可能である。
The
アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32の板厚は、例えば、0.2mm以下である。このように薄肉に成形することによって、電気抵抗をできるだけ小さくし、燃料電池の性能評価の1つの指標である出力密度(「起電力/単位容積」と定義される)を高めることができる。
The plate thickness of the
電解質膜21は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン株式会社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)から成形される。
The
電解質膜21は、特に限定されないが、強度、耐久性及び出力特性の観点から5〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μmである。
The
アノード側触媒層221に用いられる触媒成分は、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。カソード側触媒層231に用いられる触媒成分は、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。
The catalyst component used for the anode side catalyst layer 221 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen. The catalyst component used for the cathode-
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。アノード側触媒層221及びカソード側触媒層231に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。
The catalyst component is, for example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or an alloy thereof. Selected. In order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, etc., those containing at least platinum are preferable. The catalyst components applied to the anode side catalyst layer 221 and the cathode
触媒層221,231に用いられる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、及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ことが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。 The conductive carrier of the catalyst used for the catalyst layers 221 and 231 is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector. However, the main component is preferably carbon particles. The carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.
触媒層221,231に用いられる電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されない。具体的には例えば、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。触媒層221,231に用いられる電解質は、電解質膜21に用いられる電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜21に対する触媒層221,231の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。
The electrolyte used for the catalyst layers 221 and 231 is not particularly limited as long as it is a member having at least high proton conductivity. Specifically, for example, a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton, or a hydrocarbon-based electrolyte not containing fluorine atoms in the polymer skeleton can be applied. The electrolyte used for the catalyst layers 221 and 231 may be the same as or different from the electrolyte used for the
触媒層221,231の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、それぞれの触媒層221,231の厚みは、1〜10μmが好ましい。 The thicknesses of the catalyst layers 221 and 231 are not particularly limited as long as they can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side), and the same thickness as the conventional one can be used. . Specifically, the thickness of each of the catalyst layers 221 and 231 is preferably 1 to 10 μm.
ガス拡散層222,232は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形される。ガス拡散層222,232は、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。 The gas diffusion layers 222 and 232 are formed from, for example, carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers, carbon paper, or carbon felt. It is preferable that the gas diffusion layers 222 and 232 contain a water repellent to further improve water repellency and prevent a flooding phenomenon or the like. Although the water repellent is not particularly limited, for example, a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). High polymer materials, polypropylene and polyethylene.
ガス拡散層222,232の厚さは、機械的強度及びガスや水などの透過距離を考慮し、30〜500μm程度が好ましい。なお、撥水性は、独立した層を成形することによって、向上させることも可能である。 The thickness of the gas diffusion layers 222 and 232 is preferably about 30 to 500 μm in consideration of mechanical strength and a permeation distance of gas or water. The water repellency can be improved by forming an independent layer.
次に、図4〜8を参照して、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接してセパレータアッシー30を製造するセパレータアッシー30の製造装置50について説明する。
Next, with reference to FIGS. 4-8, the
図4は、製造装置50を模式的に示す図である。図5は、製造装置50の収容部60及び密着手段70を示す分解斜視図である。図6は、載置部61上にアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置したときの、収容部60及び密着手段70を示す分解斜視図である。図7(A)は、収容部60並びに収容部60に収容されたアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を示す側面断面図である。図7(B)は、収容部60並びに収容部60に収容されたアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を示す正面断面図である。図8は、流体Fによって押圧力が発生する様子を示す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the
製造装置50は、概説すると、流体Fにより発生する押圧力によって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を密着させる密着手段70を有する。また製造装置50は、密着手段70によってアノードセパレータ31とカソードセパレータ32とを密着させたままの状態で、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合してセパレータアッシー30を形成する溶接手段80を有する。以下、本実施形態に係る溶接装置50について詳述する。
In summary, the
製造装置50は、図4に示すように、収容部60と、密着手段70と、溶接手段80と、を有する。
As shown in FIG. 4, the
収容部60は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を収容する。収容部60は、図5に示すように、載置部(第1の板材)61と、脚部62と、透過板(第2の板材)63と、固定部64と、を有する。アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32は、載置部61及び透過板63によって挟持される。
The
載置部61には、図6,図7(A)に示すように、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が載置される。また、載置部61は、図5に示すように、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が延在する方向に沿って溝61Aが設けられる。溝61Aは、図7(A)に示すように、アノードセパレータ31の凹凸形状の凹部に対応して設けられる。すなわちアノードセパレータ31は、載置部61の両端の上面61b及び載置部61の溝61Aに対応する位置の上面61aに載置される。この構成によれば、製造装置50の省スペース化を図ることができる。
As shown in FIGS. 6 and 7A, the
載置部61の溝61Aに対応する位置の上面61aのうち、導入マニホールド36及び排出マニホールド37の中央のマニホールドが載置される箇所の周囲には、図5に示すように、流体漏れを防止するためのシール部材61Eが設けられる。
As shown in FIG. 5, fluid leakage is prevented around the place where the central manifold of the
載置部61には、図7(B)に示すように、貫通孔61C,61Dがさらに設けられる。後述する流体ポンプ71から供給される流体Fは、貫通孔61Cを介して、収容部60内に供給される。また、収容部60内を流通した流体Fは、貫通孔61Dを介して、収容部60の外へ排出され、流体ポンプ71に戻される。
As shown in FIG. 7B, the mounting
載置部61とアノードセパレータ31との間には、閉空間である第2空間92が形成される。
A
脚部62は、載置部61に固定され、透過板63を支持する。脚部62は、図5に示すように、載置部61上の流体Fが流通する流通方向に直交する方向の両端に、2つ設けられる。脚部62と載置部61との固定方法は、例えば締結であるが、溶接などであってもよい。また、脚部62と透過板63との固定方法は、例えば締結であるが、トグルクランプなどによって固定されてもよい。また、脚部62及び透過板63の間には、流体漏れを防止するためのシール部材65が設けられる。
The
透過板63は、カソードセパレータ32の上方に設けられ、溶接手段80のレーザー照射部81から照射されるレーザー光Lを透過する性質を有する。透過板63を構成する材料は例えば石英ガラスであるが、これに限られない。なお、上述した載置部61は透過板63と同様に、レーザー光Lを透過する性質を有してもよい。
The
透過板63とカソードセパレータ32との間には、閉空間である第3空間93が設けられる。
A
固定部64は、載置部61に載置されたアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を固定する。固定部64は、流体Fの流通方向の上流及び下流にそれぞれ、第1固定部64A、第2固定部64Bを有する。カソードセパレータ32の上面のうち、固定部64が載置される箇所には、図6に示すように、流体漏れを防止するためのシール部材66が設けられる。
The fixing
第1固定部64Aは、図5に示すように、下向きに延在する凸部641及び上下方向に形成された2つの貫通孔642を有する。凸部641は、載置部61に設けられた凹部61Fに挿入される。貫通孔642には、載置部61に設けられた凹部61Gに圧入された位置決めピンP1,P2が挿入される。
As shown in FIG. 5, the first fixed
第2固定部64Bは、図5に示すように、下向きに延在する凸部643及び上下方向に形成された貫通孔644を有する。凸部643は、載置部61に設けられた凹部61Hに挿入される。貫通孔644には、載置部61に設けられた凹部61Jに圧入された位置決めピンP3が挿入される。
As shown in FIG. 5, the second fixing
密着手段70は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32によって囲まれる第1空間91(冷却水流路33に相当)に、流体Fを流通させて押圧力を発生させる手段である。密着手段70は、流体ポンプ71及びチューブ72から構成される。流体ポンプ71は、チューブ72を介して収容部60に流体Fを供給する。流体Fの収容部60内における流通経路について、図7(B)を参照して、詳細に説明する。
The close contact means 70 is a means for generating a pressing force by circulating the fluid F in the first space 91 (corresponding to the cooling water flow path 33) surrounded by the
貫通孔61Cを流通した流体Fは、導入マニホールド36を経由して、第1空間91を流通し、排出マニホールド37を経由した後、貫通孔61Dを流通して、収容部60の外へ排出される。シール部材61E,66が設けられるため、第2空間92及び第3空間93への流体Fの流通は防止される。流体Fは例えば、ArやHeなどの不活性ガスであるがこれに限られない。
The fluid F flowing through the through
このように第1空間91のみに流体Fを流通させることによって、ベルヌーイの定理から、第1空間91内の圧力は、第2空間92及び第3空間93内の圧力より低くなる。ここでベルヌーイの定理とは、下記の式(1)に示されるように、流速が速いほど、圧力が低下する現象をいう。
By circulating the fluid F only in the
ここで、vは流速、pは圧力、ρは粘性をそれぞれ示す。 Here, v represents a flow velocity, p represents pressure, and ρ represents viscosity.
このため、図8に示すように、第3空間93から第1空間91への力R1がカソードセパレータ32に作用し、第2空間92から第1空間91への力R2がアノードセパレータ31に作用する。したがって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32に押圧力が作用し、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができる。
Therefore, as shown in FIG. 8, a force R1 from the
溶接手段80は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合する。溶接手段80は、溶接のためのレーザー光Lを照射するレーザー照射部81と、レーザー照射部81の傾きや位置を調整する調整部82と、を有する。調整部82は具体的には多軸ロボットである。調整部82によってレーザー光Lが溶接ラインW上を走査される。
The welding means 80 welds and joins the
以上、製造装置50の構成について説明した。次に、本実施形態に係るセパレータアッシー30の製造方法を、図9のフローチャートに基づいて説明する。
The configuration of the
本実施形態に係るセパレータアッシー30の製造方法は、概説すると、流体Fにより発生する押圧力によって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を密着させる密着工程S02と、密着工程S02によってアノードセパレータ31とカソードセパレータ32とを密着させたままの状態で、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合してセパレータアッシー30を形成する溶接工程S03と、を有する。以下、詳述する。
The manufacturing method of the
取付工程S01は、アノードセパレータ31、カソードセパレータ32、固定部64、及び透過板63を取り付ける工程である。取付工程S01では、概説すると、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置部61及び透過板63によって挟持する。以下、取付工程S01について詳述する。取付工程S01ではまず、図6に示すように、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置部61に取り付ける。このとき、アノードセパレータ31は、図7(A)に示すように、載置部61の両端の上面61b及び載置部61の溝61Aに対応する位置の上面61aに載置される。そして、固定部64の凸部641,643を載置部61の凹部61F,61Hに挿入し、位置決めピンP1,P2,P3を固定部64の貫通孔642,644に挿入する。これによって、固定部64が載置部61に取り付けられ、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が固定される。そして、透過板63をアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32の上方から脚部62に取り付け、締結ボルト(不図示)によって固定する。
The attachment step S01 is a step of attaching the
密着工程S02は、第1空間91に流体Fを流通させて、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32に押圧力を発生させて、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を密着させる工程である。密着工程S02ではまず、流体ポンプ71からチューブ72を介して、収容部60内に流体Fを供給する。具体的に流体Fは、図7(B)に示すように、貫通孔61Cを介して第1空間91を流通した後、貫通孔61Dを介して、収容部60の外へ排出される。このとき、流体Fが第1空間91を流通するため、上述したベルヌーイの定理より、第1空間91内の圧力は、第2空間92及び第3空間93の圧力より低くなり、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32がクリアランスなく密着される。
The close contact step S02 is a step of causing the fluid F to flow through the
溶接工程S03は、密着工程S02によってアノードセパレータ31とカソードセパレータ32とを密着させたままの状態で、レーザー光Lによってアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合する工程である。溶接工程S03では、レーザー照射部81から照射されるレーザー光Lが調整部82によって溶接ラインW上を走査され、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が溶接接合されて、セパレータアッシー30を形成する。
The welding step S03 is a step in which the
取外し工程S04は、透過板63、固定部64、及びセパレータアッシー30を順に取り外す工程である。取外し工程S04ではまず、透過板63を脚部62から取り外す。そして、固定部64を載置部61から取り外す。さらに、セパレータアッシー30を載置部61から取り外す。
The removal step S04 is a step of removing the
以上説明したように、本実施形態に係るセパレータアッシー30の製造装置50は、アノード側のアノードセパレータ31及びカソード側のカソードセパレータ32を溶接によって接合したセパレータアッシー30の製造装置50である。セパレータアッシー30の製造装置50は、流体Fにより発生する押圧力によって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を密着させる密着手段70と、密着手段70によってアノードセパレータ31とカソードセパレータ32とを密着させたままの状態で、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合してセパレータアッシー30を形成する溶接手段80と、を有する。したがって、流体Fにより発生する押圧力によってセパレータ31,32同士を密着させるため、セパレータ31,32同士間のクリアランスをなくした状態でセパレータ31,32同士を溶接することができる。よって、溶接不良が発生することなくセパレータアッシー30を形成することができる。
As described above, the
また、密着手段70は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32によって囲まれる第1空間91に、流体Fを流通させて押圧力を発生させる手段である。このため、簡便にアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができ、溶接不良のないセパレータアッシー30を容易に形成することができる。
The close contact means 70 is a means for generating a pressing force by circulating the fluid F in the
また、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を挟持する載置部61及び透過板63をさらに有し、溶接手段80は、溶接のためのレーザー光Lを照射するレーザー照射部81を有し、透過板63はレーザー光Lを透過する。このため、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置部61及び透過板63によって確実に固定することができ、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32の溶接接合が容易となる。
Moreover, it further has a mounting
また、以上説明したように、本実施形態に係るセパレータアッシー30の製造方法は、アノード側のアノードセパレータ31及びカソード側のカソードセパレータ32を溶接によって接合したセパレータアッシー30の製造方法である。セパレータアッシー30の製造方法は、流体Fにより発生する押圧力によって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を密着させる密着工程S02と、密着工程S02によってアノードセパレータ31とカソードセパレータ32とを密着させたままの状態で、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を溶接接合してセパレータアッシー30を形成する溶接工程S03と、を有する。したがって、流体Fにより発生する押圧力によってセパレータ31,32同士を密着させるため、セパレータ31,32同士間のクリアランスをなくした状態でセパレータ31,32同士を溶接することができる。よって、溶接不良が発生することなくセパレータアッシー30を形成することができる。
As described above, the method for manufacturing the
また、密着工程S02は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32によって囲まれる第1空間91に、流体Fを流通させて押圧力を発生させる工程である。このため、簡便な方法によってアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができ、溶接不良のないセパレータアッシー30を容易に形成することができる。
The contact step S02 is a step of generating a pressing force by circulating the fluid F in the
また、密着工程S02の前に、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置部61及び透過板63によって挟持し、溶接工程S03において、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32はレーザー光Lによって溶接接合され、透過板63はレーザー光Lを透過する。このため、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を載置部61及び透過板63によって確実に固定することができ、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32の溶接接合が容易となる。
Further, before the adhesion step S02, the
また、上述した製造方法によって製造されたセパレータアッシー30と、アノード側電極22及びカソード側電極23を電解質膜21の両側に接合した膜電極接合体20と、を有する燃料電池1であれば、セパレータアッシー30に溶接不良がないため、信頼性の高い燃料電池1を提供することができる。
In addition, if the
以下、上述した実施形態の改変例を例示する。 Hereinafter, modifications of the above-described embodiment will be exemplified.
(改変例1)
上述した実施形態では、第1空間91にのみ流体Fを流通させた。しかしながらこれに限られず、図10に示すように、第2空間92及び第3空間93に、第1空間91に流通させる流体Fの流速より小さい流速で流体F1,F2を流通させてもよい。改変例1に係る製造装置150は、収容部160、密着手段70、及び2つの流通手段170を有する。収容部160は、2つの貫通孔163Aを備える透過板163及び2つの貫通孔161Aを備える載置部161を有する。2つの流通手段170は、密着手段70と同じ構成を有する。この構成において、密着手段70は、上述した実施形態と同様に第1空間91に流体Fを流通させる。また、2つの流通手段170のうち一の流通手段170は、貫通孔163Aを介して第3空間93に、第1空間91に流通させる流体Fの流速より小さい流速で流体F1を流通させ、他の流通手段170は、貫通孔161Aを介して第2空間92に、第1空間91に流通させる流体Fの流速より小さい流速で流体F2を流通させる。この結果、第1空間91に流通する流体Fの流速は、第2空間92及び第3空間93に流通する流体F2,F1の流速より速いため、ベルヌーイの定理より、第1空間91内の圧力は、第2空間92及び第3空間93内の圧力より小さくなる。よって上述した実施形態と同様に、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができる。さらに、改変例1に係る製造装置150によれば、第2空間92及び第3空間93にも流体F2,F1を流通させるため、溶接接合する際に生じる金属の粉塵である溶接ヒュームを好適に除去することができる。よって、溶接後にセパレータ31,32の表面に行う表面処理の密着性を向上させることができ、さらに作業者の健康への被害を防止することができる。なお、第2空間92及び第3空間93のどちらか一方に流体F1,F2を流通させてもよい。
(Modification 1)
In the embodiment described above, the fluid F is circulated only in the
(改変例2)
また、上述した実施形態では、第1空間91に流体Fを流通させることによって、押圧力を発生させ、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させた。しかしながらこれに限られず、図11に示すように、第1空間(第1の閉空間)91、第2空間(第2の閉空間)92、及び第3空間(第3の閉空間)93のうち、第2空間92及び第3空間93に流体F2,F1を充填することによって、第1空間91内の圧力を第2空間92及び第3空間93内の圧力より小さくして押圧力を発生させてもよい。改変例2に係る製造装置250は、収容部260及び密着手段270を有する。収容部260は、1つの貫通孔263Aを備える透過板263及び1つの貫通孔261Aを備える載置部261を有する。密着手段270は、第2空間92及び第3空間93に流体Fを充填することによって、第1空間91内の圧力を第2空間92及び第3空間93内の圧力より小さくして押圧力を発生させる手段である。密着手段270は、一の密着手段270A及び他の密着手段270Bから構成される。それぞれの密着手段270A,270Bは、上述した実施形態の密着手段70と同様に、流体ポンプ271及びチューブ272から構成される。この構成において、一の密着手段270Aは、貫通孔261Aを介して第2空間92に流体F2を充填させ、他の密着手段270Bは、貫通孔263Aを介して第3空間93に流体F1を充填させる。この結果、第1空間91内の圧力は、第2空間92及び第3空間93内の圧力より小さくなる。よって、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができる。改変例2に係る製造装置250によれば、簡便な方法によってアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32をクリアランスなく密着させることができ、溶接不良のないセパレータアッシー30を容易に形成することができる。
(Modification 2)
In the above-described embodiment, the fluid F is circulated through the
(改変例3)
また、上述した実施形態では、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を、載置部61及び透過板63によって挟持した。しかしながら、図12に示すように、透過板63を設けなくてもよい。この構成によれば、より部品点数の少ない製造装置350によってセパレータアッシー30を形成することができ、製造装置350の低コスト化を図ることができる。また透過板63が設けられないため、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32の溶接接合は、レーザー光Lによるレーザー溶接に限定されず、スポット溶接等であってもよい。
(Modification 3)
In the above-described embodiment, the
(改変例4)
また、上述した実施形態では、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32を、載置部61及び透過板63によって挟持した。しかしながら、図13に示すように、載置部461にアノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が載置される構成であってもよい。改変例4に係る製造装置450は、収容部460及び密着手段470を有する。収容部460は、アノードセパレータ31及びカソードセパレータ32が載置される載置部461と、カソードセパレータ32の導入マニホールド36及び排出マニホールド37に挿入されるキャップ467と、を有する。密着手段470は、流体ポンプ471とチューブ472とノズル473とを有する。この構成において、流体ポンプ471から供給される流体Fがチューブ472を介してノズル473に供給され、ノズル473によって第1空間91に流体Fが流通される。このとき、キャップ467が設けられるため流体Fの漏れを防止することができる。この構成によれば、より部品点数の少ない製造装置450によってセパレータアッシー30を形成することができ、製造装置450の低コスト化を図ることができる。
(Modification 4)
In the above-described embodiment, the
1 燃料電池、
2 燃料電池セル、
20 膜電極接合体、
21 電解質膜、
22 アノード側電極、
23 カソード側電極、
30 セパレータアッシー(燃料電池用セパレータアッシー)、
31 アノードセパレータ、
32 カソードセパレータ、
50,150,250,350,450 製造装置、
60,160,260,460 収容部、
61,161,261,461 載置部(第1の板材)、
63,163,263 透過板(第2の板材)、
64 固定部、
70,270,470 密着手段、
170 流通手段、
270A 一の密着手段、
270B 他の密着手段、
80 溶接手段、
81 レーザー照射部、
91 第1空間(第1の閉空間)、
92 第2空間(第2の閉空間)、
93 第3空間(第3の閉空間)、
F,F1,F2 流体、
L レーザー光、
S02 密着工程、
S03 溶接工程、
W 溶接ライン。
1 Fuel cell,
2 fuel cells,
20 Membrane electrode assembly,
21 electrolyte membrane,
22 anode side electrode,
23 Cathode side electrode,
30 Separator assembly (separator assembly for fuel cell),
31 anode separator,
32 cathode separator,
50, 150, 250, 350, 450 production equipment,
60, 160, 260, 460 housing,
61, 161, 261, 461 placement portion (first plate member),
63, 163, 263 transmission plate (second plate material),
64 fixing part,
70, 270, 470 contact means,
170 distribution means,
270A one contact means,
270B Other contact means,
80 welding means,
81 laser irradiation part,
91 1st space (1st closed space),
92 2nd space (2nd closed space),
93 3rd space (3rd closed space),
F, F1, F2 fluid,
L Laser light,
S02 adhesion process,
S03 Welding process,
W Welding line.
Claims (11)
流体により発生する押圧力によって、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを密着させる密着手段と、
前記密着手段によって前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとを密着させたままの状態で、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを溶接接合してセパレータアッシーを形成する溶接手段と、を有する燃料電池用セパレータアッシーの製造装置。 An apparatus for producing a separator assembly for a fuel cell in which an anode separator on an anode side and a cathode separator on a cathode side are joined by welding,
A contact means for bringing the anode separator and the cathode separator into close contact with each other by a pressing force generated by a fluid;
Welding means for welding the anode separator and the cathode separator to form a separator assembly in a state where the anode separator and the cathode separator are kept in close contact with each other by the contact means. manufacturing device.
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータによって囲まれる第1空間に、前記流体を流通させて前記押圧力を発生させる手段である請求項1に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造装置。 The contact means is
The apparatus for producing a separator assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the fluid is passed through a first space surrounded by the anode separator and the cathode separator to generate the pressing force.
前記溶接手段は、溶接のためのレーザー光を照射するレーザー照射部を有し、
前記第1の板材及び前記第2の板材の少なくとも一方は、前記レーザー光を透過する透過板によって構成される請求項2に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造装置。 A first plate member and a second plate member sandwiching the anode separator and the cathode separator;
The welding means has a laser irradiation unit for irradiating laser light for welding,
The apparatus for manufacturing a separator assembly for a fuel cell according to claim 2, wherein at least one of the first plate member and the second plate member is constituted by a transmission plate that transmits the laser beam.
前記第2の板材及び前記カソードセパレータの間に閉空間である第3空間が形成され、
前記第2空間及び前記第3空間の少なくとも一方に、前記第1空間に流通させる前記流体の流速より小さい流速で前記流体を流通させる流通手段をさらに有する請求項3に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造装置。 A second space that is a closed space is formed between the first plate member and the anode separator,
A third space that is a closed space is formed between the second plate member and the cathode separator,
4. The fuel cell separator assembly according to claim 3, further comprising a circulation unit configured to circulate the fluid in at least one of the second space and the third space at a flow rate smaller than a flow rate of the fluid circulated in the first space. Manufacturing equipment.
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータによって囲まれる第1の閉空間、前記アノードセパレータの両面のうち前記第1の閉空間の反対面に設けられる第2の閉空間、及び前記カソードセパレータの両面のうち前記第1の閉空間の反対面に設けられる第3の閉空間のうち、前記第2の閉空間及び第3の閉空間に前記流体を充填することによって、前記第1の閉空間内の圧力を前記第2の閉空間及び前記第3の閉空間内の圧力より小さくして前記押圧力を発生させる手段である請求項1に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造装置。 The contact means is
The first closed space surrounded by the anode separator and the cathode separator, the second closed space provided on the opposite surface of the first separator among both surfaces of the anode separator, and the both surfaces of the cathode separator Of the third closed space provided on the opposite surface of the first closed space, the fluid in the second closed space and the third closed space is filled with the fluid, whereby the pressure in the first closed space is increased. 2. The fuel cell separator assembly manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the pressing force is generated by making the pressure smaller than the pressure in the second closed space and the third closed space. 3.
流体により発生する押圧力によって、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを密着させる密着工程と、
前記密着工程によって前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとを密着させたままの状態で、前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータを溶接接合してセパレータアッシーを形成する溶接工程と、を有する燃料電池用セパレータアッシーの製造方法。 A method for producing a fuel cell separator assembly in which an anode separator on an anode side and a cathode separator on a cathode side are joined by welding,
An adhesion step of bringing the anode separator and the cathode separator into close contact with each other by a pressing force generated by a fluid;
A welding step of forming a separator assembly by welding the anode separator and the cathode separator in a state where the anode separator and the cathode separator are kept in close contact with each other in the contact step. Production method.
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータによって囲まれる第1空間に、前記流体を流通させて前記押圧力を発生させる工程である請求項6に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造方法。 The adhesion step includes
The method for manufacturing a fuel cell separator assembly according to claim 6, wherein the pressing force is generated by circulating the fluid in a first space surrounded by the anode separator and the cathode separator.
前記溶接工程において、アノードセパレータ及びカソードセパレータはレーザー光によって溶接接合され、
前記第1の板材及び前記第2の板材の少なくとも一方は、前記レーザー光を透過する透過板によって構成される請求項7に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造方法。 Before the adhesion step, the anode separator and the cathode separator are sandwiched between the first plate and the second plate,
In the welding process, the anode separator and the cathode separator are welded and joined by laser light,
The method for producing a separator assembly for a fuel cell according to claim 7, wherein at least one of the first plate member and the second plate member is constituted by a transmission plate that transmits the laser beam.
前記第2の板材及び前記カソードセパレータの間に閉空間である第3空間が形成され、
前記第2空間及び前記第3空間の少なくとも一方に、前記第1空間に流通させる前記流体の流速より小さい流速で前記流体を流通させる請求項8に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造方法。 A second space that is a closed space is formed between the first plate member and the anode separator,
A third space that is a closed space is formed between the second plate member and the cathode separator,
9. The method of manufacturing a fuel cell separator assembly according to claim 8, wherein the fluid is circulated in at least one of the second space and the third space at a flow velocity smaller than a flow velocity of the fluid circulated in the first space.
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータによって囲まれる第1の閉空間、前記アノードセパレータの両面のうち前記第1の閉空間の反対面に設けられる第2の閉空間、及び前記カソードセパレータの両面のうち前記第1の閉空間の反対面に設けられる第3の閉空間のうち、前記第2の閉空間及び第3の閉空間に前記流体を充填することによって、前記第1の閉空間内の圧力を前記第2の閉空間及び前記第3の閉空間内の圧力より小さくして前記押圧力を発生させる工程である請求項6に記載の燃料電池用セパレータアッシーの製造方法。 The adhesion step includes
The first closed space surrounded by the anode separator and the cathode separator, the second closed space provided on the opposite surface of the first separator among both surfaces of the anode separator, and the both surfaces of the cathode separator Of the third closed space provided on the opposite surface of the first closed space, the fluid in the second closed space and the third closed space is filled with the fluid, whereby the pressure in the first closed space is increased. The method of manufacturing a separator assembly for a fuel cell according to claim 6, wherein the pressing force is generated by making the pressure smaller than the pressure in the second closed space and the third closed space.
アノード側電極及びカソード側電極を電解質膜の両側に接合した膜電極接合体と、を有する燃料電池。 The fuel cell separator assembly manufactured by the manufacturing method according to claims 6 to 10,
And a membrane electrode assembly in which an anode side electrode and a cathode side electrode are joined to both sides of an electrolyte membrane.
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