JP2014238922A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セル締結のために積層方向に押圧したスタック形態での電池セルの位置ズレを抑制する。
【解決手段】セル積層パレット１００に第１エンドプレート１４をセットする。１００は、２列のセル底面基準レール１１２とセル側面基準レール１１４を備え、セット済みの第１エンドプレート１４からセル底面基準レール１１２とセル側面基準レール１１４とを延ばす。次いで、それぞれの電池セル１２Ｓを、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢で、セル積層パレット１００に順次積層してセットし、第２エンドプレート１５を積層済み電池セル１２Ｓに重ねてセットする。その後、第２エンドプレート１５の側からセル積層方向に押圧してスタック化を図る。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、複数の電池セルを積層したスタック状とされ、電池セルを傾けたエンドプレートに沿うよう積層する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２１２１３９号公報

上記のセル積層手法によれば、製造効率の向上を図ることができるものの、積層過程における電池セルの姿勢についての配慮に欠けるため、セル締結のために積層方向に押圧したスタック形態での電池セルの位置ズレが懸念される。この他、燃料電池の製造方法の簡便化、低コスト化を可能とすることも要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、複数の電池セルを積層して備える燃料電池の製造方法であって、前記電池セルの底面の側の基準となりセル積層方向に延びる底面基準座と前記電池セルの一方の側面の側の基準となりセル積層方向に延びる側面基準座とを有するパレットに、燃料電池の一方の端部を占める第１エンドプレートをセットする第１工程と、前記電池セルのセル上端側がセル下端側より前記第１エンドプレートから離れて前記パレットの前記底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢で、前記複数の電池セルを前記パレットに順次積層してセットすると共に、燃料電池の他方の端部を占める第２エンドプレートを前記パレットにセットする第２工程と、該セット済みの前記第２プレートの側からセル積層方向に押圧してスタック化を図る第３工程とを備える。上記形態の燃料電池の製造方法では、第１エンドプレートをパレットにセットすることで、底面基準座と側面基準座とが、第１エンドプレートの端面からそれぞれセル積層方向に延びることになる。これら基準座を基準に複数の電池セルをパレットに順次積層する際に、それぞれの電池セルを、セル上端側がセル下端側より第１エンドプレートから離れて底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢とする。このため、その後のセル積層方向に沿った押圧の際、底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢の電池セルは、押圧を受けて、セル上端側が第１エンドプレートの側に向かうようにして第１エンドプレートに積層されるので、電池セルがセル下端側でセル上端側より第１エンドプレートから離れた姿勢を取ることに起因した電池セルの位置ズレを抑制できる。

（２）上記した形態の燃料電池の製造方法において、前記第２工程では、前記電池セルが前記傾斜姿勢を取る際の前記底面基準座に対する傾斜角度を規定する角度規定面を有する治具を用い、該治具を前記底面基準座に沿って移動させながら、前記電池セルを前記角度規定面にて前記傾斜姿勢としてセットする。こうすれば、それぞれの電池セルを底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢とすることや当該姿勢の維持が簡便となる。

（３）上記した形態の燃料電池の製造方法において、前記第２工程では、前記治具を用いて前記電池セルを前記傾斜姿勢でセットするに当たり、前記パレットを前記エンドプレートの側を中心に傾斜させている。こうすれば、それぞれの電池セルを治具の角度規定面で案内しながら、底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢で積層できるので、電池セルの傾斜姿勢の維持がより確実となり、電池セルがセル下端側でセル上端側より第１エンドプレートから離れた姿勢を取ることに起因した電池セルの位置ズレをより有効に抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の製造装置等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池１０を平面視して概略的に示す説明図である。 燃料電池１０の製造手順に用いるセル積層パレット１００の概略構成を示す説明図である。 セル積層パレット１００を図２における３−３線で断面視した概略断面を第１エンドプレート１４に関連付けて示す説明図である。 電池セル１２Ｓを順次積層する様子を示す説明図である。 傾斜姿勢の電池セル１２Ｓが何らかの原因で第１エンドプレート１４の側に倒れた場合のセル積層の様子を示す説明図である。 電池セル１２Ｓの積層完了の様子とその後のピストンＰｓによる電池セル１２Ｓの押圧の様子を示す説明図である。 ピストンＰｓによる電池セル１２Ｓの押圧後におけるケーシング１６の装着の様子を示す説明図である。 セルをセル底面基準レール１１２の側に向かわせるような下向きの力が掛かりやすい電池セル１２Ｓの様子を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０を平面視して概略的に示す説明図である。

図示するように、燃料電池１０は、電池セルスタック１２を対向する第１エンドプレート１４と第２エンドプレート１５との間に挟持して備え、この電池セルスタック１２を上記の両エンドプレートごとケーシング１６に収容する。電池セルスタック１２は、電池セル１２Ｓを積層して構成される。電池セル１２Ｓは、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を含んで構成され、アノードへの水素ガス（燃料ガス）供給とカソードへの空気（酸素含有ガス）供給を受けて発電する。

ケーシング１６は、両端および上端が開口した略Ｕ字状をなし、複数の電池セル１２Ｓが第２エンドプレート１５の側から押圧された状況下で、第２エンドプレート１５の側から電池セルスタック１２を三方に亘って覆い、座金１７とボルト１８を用いて、第１エンドプレート１４および第２エンドプレート１５と固定される。ケーシング１６の固定後、電池セルの押圧は解除され、燃料電池１０として運用される。ケーシング１６の全長は無負荷の電池セルスタック１２の高さより短くされている。よって、ケーシング１６の上記した固定により、燃料電池１０、詳しくは電池セルスタック１２には積層方向に沿って締結力が作用し、電池セルスタック１２の積層状態は維持される。

また、燃料電池１０は、電池セルスタック１２を構成するそれぞれの電池セル１２Ｓに水素ガスを供給する水素ガス供給系と空気を供給する空気供給系を備えるが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。

次に、上記した構成を有する燃料電池１０の製造手順について説明する。図２は燃料電池１０の製造手順に用いるセル積層パレット１００の概略構成を示す説明図、図３はセル積層パレット１００を図２における３−３線で断面視した概略断面を第１エンドプレート１４に関連付けて示す説明図である。

セル積層パレット１００は、ベース１１０と、セル底面基準レール１１２と、セル側面基準レール１１４と、セル傾斜治具１２０と、ベース傾斜機構１３０とを備える。セル傾斜治具１２０は、後述の２列のセル底面基準レール１１２の上面に沿って摺動可能とされ、このセル底面基準レール１１２に対して所定角度、例えば８５〜８８°程度傾斜した傾斜基準面１２１を備える。ベース傾斜機構１３０は、ベース１１０の他端側を持ち上げて、セル積層パレット１００をベース１１０ごと傾斜させるよう構成されている。

ベース１１０は、一端側にプレートセット凹所１１３を備え、このプレートセット凹所１１３のプレート下端側端面基準面１１３ｋに対して、セル底面基準レール１１２を垂直に２列に並べて備える。セル底面基準レール１１２は、電池セルスタック１２におけるセル積層方向に延びる。また、ベース１１０は、レール保持脚１１６を一方端面から立設して備え、各保持脚で、セル側面基準レール１１４をプレート下端側端面基準面１１３ｋに対して垂直に保持する。セル側面基準レール１１４にあっても、電池セルスタック１２におけるセル積層方向に延びる。この他、ベース１１０は、プレートセット凹所１１３の側のレール保持脚１１６の上面に、プレート上端規制駒１１７を備え、当該規制駒のプレート上端側端面基準面１１７ｋを、プレート下端側端面基準面１１３ｋと面一としている。よって、燃料電池１０の一方の端部を占める第１エンドプレート１４がベース１１０のプレートセット凹所１１３にその下端から挿入セットされると、第１エンドプレート１４は、電池セル積層端面である一方端面において上下のプレート下端側端面基準面１１３ｋとプレート上端側端面基準面１１７ｋとでその姿勢が規定された上で、電池セル積層端面から、セル底面側において垂直に２列のセル底面基準レール１１２を延ばし、セル側面側において垂直にセル側面基準レール１１４を延ばすことになる。この場合、第１エンドプレート１４は、その姿勢を維持すべく、図示しないクランプ機器にてベース１１０に固定される。また、図３に示すように、プレート上端規制駒１１７は、電池セル１２Ｓと干渉しないよう、第１エンドプレート１４の周縁で当該プレートをプレート上端側端面基準面１１７ｋにて支える。そして、図示するように、第１エンドプレート１４は、その外郭が電池セル１２Ｓより大きくされており、電池セル１２Ｓは、セル底面基準レール１１２をセル底面の基準とし、セル側面基準レール１１４をセル側面の基準として、後述するように積層される。第２エンドプレート１５は、積層された電池セル１２Ｓと共にケーシング１６にて覆われることから、その外郭形状は電池セル１２Ｓと同じとされ、ケーシング固定に備えて厚くされている。

燃料電池１０は、このセル積層パレット１００を用いて次の手順で製造される。図４は電池セル１２Ｓを順次積層する様子を示す説明図、図５は傾斜姿勢の電池セル１２Ｓが何らかの原因で第１エンドプレート１４の側に倒れた場合のセル積層の様子を示す説明図、図６は電池セル１２Ｓの積層完了の様子とその後のピストンＰｓによる電池セル１２Ｓの押圧の様子を示す説明図である。

第１エンドプレート１４への電池セル１２Ｓの積層に当たっては、まず、図４に示すように、セル傾斜治具１２０を第１エンドプレート１４の側にスライドさせた上で、ベース傾斜機構１３０にてセル積層パレット１００を第１エンドプレート１４の側を中心に傾斜させる。この場合、セル傾斜治具１２０は、傾斜基準面１２１の下端が第１エンドプレート１４の端面から電池セル１２Ｓの厚みに相当する距離を残すまで、スライドされる。次いで、電池セル１２Ｓをセル傾斜治具１２０の上方側からセル積層パレット１００にセットする。この際、電池セル１２Ｓは、傾斜基準面１２１に案内されてセル底面基準レール１１２まで運ばれるので、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢で、セットされる。こうして電池セル１２Ｓが傾斜姿勢でセットされると、セル傾斜治具１２０を電池セル１２Ｓの厚みに相当する分だけ第１エンドプレート１４から遠ざかるように、退避スライドさせる。これにより、次の電池セル１２Ｓのセットが可能となる。

その後は、新たな電池セル１２Ｓの傾斜姿勢でのセットを行い、電池セル１２Ｓの残枚数だけ、セル傾斜治具１２０の退避スライド、新たな電池セル１２Ｓの傾斜姿勢でのセットを繰り返す。そして、最後の電池セル１２Ｓが傾斜姿勢でセットされると、第２エンドプレート１５についても、これを傾斜姿勢でセットし、セル積層が完了する。セル積層の完了状態では、それぞれの電池セル１２Ｓおよび第２エンドプレート１５は、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢を取る。

ところで、上記した電池セル１２Ｓの傾斜姿勢でのセットの間において、傾斜姿勢でセット済みの電池セル１２Ｓに第１エンドプレート１４の側に向けた力が何らかの原因で掛かることが有り得る。この場合には、図５に示すように、こうした力を受けた電池セル１２Ｓ（図５では当初積層された三つの電池セル１２Ｓ）は、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れていた傾斜姿勢から、セル上端側が第１エンドプレート１４の側に向かうようにして第１エンドプレート１４に積層することになる。この際の電池セル１２Ｓの挙動は、後述のセル押圧と同じであり、特段の支障を及ぼさないと共に、その後の電池セル１２Ｓにあっては、上記の傾斜姿勢で繰り返しセットされる。

セル積層の完了後には、図６に示すように、ベース傾斜機構１３０を元の位置に復帰して、セル積層パレット１００を水平状態に戻し、その後、セル押圧を経たスタック化を行う。図７はピストンＰｓによる電池セル１２Ｓの押圧後におけるケーシング１６の装着の様子を示す説明図である。

図６〜図７に示すように、セル積層パレット１００は、セル傾斜治具１２０を貫通して進退するピストンＰｓを備える。そして、セル積層パレット１００は、ピストンＰｓにより、傾斜姿勢でセット済みの電池セル１２Ｓを、同じく傾斜姿勢でセット済みの第２エンドプレート１５の側からセル積層方向に押圧する。この押圧を受けて、上記の傾斜姿勢であったそれぞれの電池セル１２Ｓおよび第２エンドプレート１５は、セル上端側が第１エンドプレート１４の側に向かうようにして第１エンドプレート１４に積層され、第１エンドプレート１４と共にスタック化される。これにより、電池セルスタック１２が得られる。なお、ピストンＰｓによる押圧の際、第１エンドプレート１４は、図示しないケーシング装着装置により支えられ、ピストン押圧力に抗している。

こうしてスタック化がなされると、ピストンＰｓにて押圧力を掛けたまま、セル積層パレット１００のベース１１０と、セル底面基準レール１１２、セル側面基準レール１１４、レール保持脚１１６およびプレート上端規制駒１１７を、電池セルスタック１２から取り除く。こうなると、電池セル１２Ｓを積層した電池セルスタック１２は、図７に示すように、第１エンドプレート１４と第２エンドプレート１５とで挟持された上に、ピストン押圧力により圧縮された状態で、保持される。このセル保持状態において、図示しないケーシング装着装置は、両端および上端が開口した略Ｕ字状のケーシング１６を、第２エンドプレート１５の側から運び込み、ケーシング端面を第１エンドプレート１４の端面に当接させる。次いで、第１エンドプレート１４とケーシング１６とを、および第２エンドプレート１５とケーシング１６とを、座金１７とボルト１８を用いて固定する。これにより、ケーシング１６で電池セルスタック１２を三方に亘って覆った燃料電池１０が得られる。この場合、ケーシング固定後、ピストンＰｓは元に位置に退避し、セル傾斜治具１２０にあっては、次回のセル積層に備えて、ピストンＰｓと共に電池セルスタック１２から退避する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池１０の製造方法では、複数の電池セル１２Ｓをセル積層パレット１００に順次積層する際に、それぞれの電池セル１２Ｓを、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢とする（図４参照）。このため、その後のセル積層方向に沿った押圧の際（図６参照）、セル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢の電池セル１２Ｓは、押圧を受けて、セル上端側が第１エンドプレート１４の側に向かうようにして第１エンドプレート１４に積層される。こうしたセル積層の際のそれぞれの電池セル１２Ｓの挙動は、セル下端側を起点としてセル上端側がスイングするようなものとなるので、こうした挙動を取る間において、電池セル１２Ｓには、セルをセル底面基準レール１１２の側に向かわせるような下向きの力を及ぼさない。仮に、こうした下向きの力が掛かったまま電池セル１２Ｓが第１エンドプレート１４に積層すると、電池セル１２Ｓの端面に露呈したシール材などに下向きの力が掛かったまま積層されるため、積層方向への押圧後において、下向きの力に起因した電池セル１２Ｓのズレが危惧される。

図８はセルをセル底面基準レール１１２の側に向かわせるような下向きの力が掛かりやすい電池セル１２Ｓの様子を示す説明図である。図示するように、電池セル１２Ｓが、セル下端側で第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢であると、電池セル１２Ｓは、セル上端側を起点としてセル下端側がスイングするような挙動を取るので、電池セル１２Ｓには、セルをセル底面基準レール１１２の側に向かわせるような下向きの力が掛かりやすい。これに対し、本実施形態の燃料電池１０の製造方法では、既述したように、電池セル１２Ｓには、セルをセル底面基準レール１１２の側に向かわせるような下向きの力を及ぼさないので、電池セル１２Ｓがセル下端側で第１エンドプレート１４から離れた姿勢を取ることに起因した電池セル１２Ｓの位置ズレを抑制できる。換言すれば、本実施形態の燃料電池１０の製造方法によれば、位置ズレのない状態で電池セル１２Ｓを積層した電池セルスタック１２、延いては燃料電池１０を容易に製造できる。

本実施形態の燃料電池１０の製造方法では、セル上端側が第１エンドプレート１４から離れてセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢で電池セル１２Ｓをセットするに当たり、上記のセルの傾斜角度に適合して傾斜した傾斜基準面１２１を備えるセル傾斜治具１２０を用いた。その上で、このセル傾斜治具１２０をセル底面基準レール１１２に沿って移動させながら、電池セル１２Ｓを傾斜基準面１２１にて傾斜姿勢としてセットする。よって、本実施形態の燃料電池１０の製造方法によれば、それぞれの電池セル１２Ｓをセル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢でセットすることや傾斜姿勢の維持が簡便とできるほか、この傾斜姿勢でのセルセットの再現性が高まる。

本実施形態の燃料電池１０の製造方法では、セル傾斜治具１２０を用いて電池セル１２Ｓを既述した傾斜姿勢でセットするに当たり、セル積層パレット１００を第１エンドプレート１４の側を中心に傾斜させた。よって、本実施形態の燃料電池１０の製造方法によれば、それぞれの電池セル１２Ｓをセル傾斜治具１２０の傾斜基準面１２１で案内しながら、或いは支えながら、セル底面基準レール１１２に対して傾斜した傾斜姿勢で電池セル１２Ｓを積層できるので、電池セル１２Ｓの傾斜姿勢の維持がより確実となり、電池セル１２Ｓがセル下端側で第１エンドプレート１４から離れた姿勢を取ることに起因した電池セル１２Ｓの位置ズレをより有効に抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記の実施形態では、セル傾斜治具１２０を用いて電池セル１２Ｓを既述した傾斜姿勢でセットするに当たり、セル積層パレット１００を第１エンドプレート１４の側を中心に傾斜させたが、これに限らない。例えば、セル積層パレット１００を水平状態としたまま、セル傾斜治具１２０を用いて電池セル１２Ｓを上記の傾斜姿勢で積層セットしてもよい。この場合には、セル傾斜治具１２０を第１エンドプレート１４の側からスライドさせながら電池セル１２Ｓをセットできるほか、セル傾斜治具１２０を電池セル１２Ｓの積層枚数分の距離を第１エンドプレート１４から隔てておき、セル傾斜治具１２０の側から、第２エンドプレート１５と積層枚数分の電池セル１２Ｓとを上記の傾斜姿勢で積層セットしてもよい。

また、セル積層パレット１００のパレット傾斜を逆として、積層する実施形態としてもよい。この実施形態では、まず、セル積層パレット１００を、第１エンドプレート１４の側が上になるように、図４に示したパレット傾斜と逆に傾斜させる。こうして逆にパレット傾斜させたセル積層パレット１００では、第２エンドプレート１５を傾斜姿勢でセル傾斜治具１２０に最初にセットし、その後、一つの電池セル１２Ｓを傾斜姿勢でセットする。次いで、この電池セル１２Ｓを第２エンドプレート１５と共に傾斜基準面１２１で支えた状態で、セル傾斜治具１２０を第１エンドプレート１４から離れるようスライドさせ、これを繰り返す。この実施形態によれば、傾斜姿勢でセット済みの電池セル１２Ｓを支えているので、電池セル１２Ｓの傾斜姿勢をより確実に維持できる。

また、上記の実施形態では、電池セルスタック１２をケーシング１６で覆うようにしたが、第１エンドプレート１４と第２エンドプレート１５とを締結シャフトにて締結する構造の燃料電池としてもよい。この場合には、第２エンドプレート１５についても、電池セル１２Ｓより外郭形状を大きくして、第１エンドプレート１４と第２エンドプレート１５との間に締結シャフトを配置すればよい。

１０…燃料電池
１２…電池セルスタック
１２Ｓ…電池セル
１４…第１エンドプレート
１５…第２エンドプレート
１６…ケーシング
１７…座金
１８…ボルト
１００…セル積層パレット
１１０…ベース
１１２…セル底面基準レール
１１３…プレートセット凹所
１１３ｋ…プレート下端側端面基準面
１１４…セル側面基準レール
１１６…レール保持脚
１１７…プレート上端規制駒
１１７ｋ…プレート上端側端面基準面
１２０…セル傾斜治具
１２１…傾斜基準面
１３０…ベース傾斜機構
Ｐｓ…ピストン

Claims (3)

1. 複数の電池セルを積層して備える燃料電池の製造方法であって、
   前記電池セルの底面の側の基準となりセル積層方向に延びる底面基準座と前記電池セルの一方の側面の側の基準となりセル積層方向に延びる側面基準座とを有するパレットに、燃料電池の一方の端部を占める第１エンドプレートをセットする第１工程と、
   前記電池セルのセル上端側がセル下端側より前記第１エンドプレートから離れて前記パレットの前記底面基準座に対して傾斜した傾斜姿勢で、前記複数の電池セルを前記パレットに順次積層してセットすると共に、燃料電池の他方の端部を占める第２エンドプレートを前記パレットにセットする第２工程と、
   該セット済みの前記第２プレートの側からセル積層方向に押圧してスタック化を図る第３工程とを備える
   燃料電池の製造方法。
2. 前記第２工程では、前記電池セルが前記傾斜姿勢を取る際の前記底面基準座に対する傾斜角度を規定する角度規定面を有する治具を用い、該治具を前記底面基準座に沿って移動させながら、前記電池セルを前記角度規定面にて前記傾斜姿勢としてセットする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記第２工程では、前記治具を用いて前記電池セルを前記傾斜姿勢でセットするに当たり、前記パレットを前記エンドプレートの側を中心に傾斜させている請求項２に記載の燃料電池の製造方法。

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