JP2019160778A - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルに供給されるガスについての圧損をスタック端部で調整する新たな圧損調整手法を提供する。【解決手段】燃料電池セルごとに圧損値を取得し、取得圧損値が圧損値設計公差範囲に含まれる１次規格範囲に属する燃料電池セルをセル積層用のパレットに積層するセル第１積層処置を、予め規定した未積層セル数の分だけセル積層総数より少ない積層回数に亘って繰り返す。また、前記セル第１積層処置で前記パレットに積層済み燃料電池セルについての前記取得圧損値から得られる統計量を用いて、前記１次規格範囲とは異なる２次規格範囲を規定する。そして、燃料電池セルごとに圧損値を取得し、取得圧損値が２次規格範囲に属する燃料電池セルをパレットに追加して積層するセル第２積層処置を未積層セル数の積層回数に亘って繰り返す。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層して備え、各燃料電池セルには、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される。燃料電池セルの発電状況は、ガスの供給量等により変動し得るので、それぞれの燃料電池セルへのガスの供給状況を均等とすることが望ましい。しかしながら、燃料電池スタックでは、燃料電池セルの積層方向に沿ったガス供給路におけるガス供給側と反対側のスタック端部ほどガス中の燃料成分や酸素の量が少なくなり、燃料電池セルの積層箇所によりガスの供給状況が相違する。こうしたことを踏まえ、燃料電池セルに供給されるガスについての圧損をスタック端部で小さくする圧損調整手法が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００５−５６６７１号公報

上記の圧損調整手法では、流路断面積や流路形状を変えて圧損が異なる多種類の燃料電池セルを製造することを前提とするので、圧損ごとのセル製造機器、或いは圧損ごとの機器調整が必要となり、高コスト化や作業の繁雑化を招きかねない。

本発明は、上述の課題を踏まえてなされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）燃料電池スタックの製造方法の一形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池セルごとに圧損値を取得し、該取得した取得圧損値がセル製造の際の圧損値設計公差範囲に含まれる１次規格範囲に属する前記燃料電池セルをセル積層用のパレットに積層するセル第１積層処置を、予め規定した未積層セル数の分だけセル積層総数より少ない積層回数に亘って繰り返す工程と、前記セル第１積層処置で前記パレットに積層済み燃料電池セルについての前記取得圧損値から得られる統計量を用いて、前記１次規格範囲とは異なる２次規格範囲を規定する工程と、前記燃料電池セルごとに圧損値を取得し、該取得した圧損値が前記２次規格範囲に属する前記燃料電池セルを前記パレットに追加して積層するセル第２積層処置を、前記未積層セル数の積層回数に亘って繰り返す工程とを備える。

この形態の燃料電池スタックの製造方法では、１次規格範囲とは異なる２次規格範囲の上限値が１次規格の上限値より小さい圧損値となるよう取得圧損値から得られる統計量を用いて規定された場合には、燃料電池セルに供給されるガスについての圧損を、セル第２積層処置の繰り返しにより積層されたスタック端部で相対的に小さくすることができる。その一方、１次規格範囲とは異なる２次規格範囲の下限値が１次規格の下限値より大きい圧損値となるよう取得圧損値から得られる統計量を用いて規定された場合には、燃料電池セルに供給されるガスについての圧損を、セル第２積層処置の繰り返しにより積層されたスタック端部で相対的に大きくすることができる。しかも、この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、こうした圧損調整を図るに当たり、圧損値設計公差に含まれる１次規格範囲の設定と、１次規格範囲とは異なる２次規格範囲を規定すれば良いので、圧損が異なる多種類の燃料電池セルを意図的に製造することが不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの製造方法で得られる燃料電池の概略構成を示す説明図である。 本実施形態の燃料電池スタックの製造方法を実施する上で用いるスタック製造装置の概略的な機器構成を示す説明図である。 スタック製造装置を用いたスタック製造プロセスの主要部手順を示す工程図である。 スタック製造プロセスの第１分岐手順を示す工程図である。 スタック製造プロセスの第２分岐手順を示す工程図である。 本実施形態の燃料電池スタックの製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。 圧損値設計公差範囲より狭小な１次規格範囲を用いた製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。 ２次規格範囲の下限値を１次規格範囲の下限値より大きくした第２実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。 ２次規格範囲の上限値を算出圧損平均値より大きくした第３実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。 ２次規格範囲の上下限値を算出圧損平均値を用いて規定した第４実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。 ２次規格範囲を算出圧損平均値を用いて２段階に規定した第４実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタックにおける燃料電池セルごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。

図１は本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの製造方法で得られる燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０が積層された燃料電池スタック１１０Ｓを一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１００は、その一端側のエンドプレート１７０Ｆと燃料電池セル１１０との間に、絶縁板１６５Ｆを介在させてターミナルプレート１６０Ｆを有する。以下、エンドプレート１７０Ｆが配設された燃料電池１００の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面左側の他端側を後端側と称する。

燃料電池１００は、後端側のエンドプレート１７０Ｅと燃料電池セル１１０との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。燃料電池セル１１０と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向、鉛直方向）に沿うように配置されている。

燃料電池１００は、前端側のエンドプレート１７０Ｆの側に、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気の供給用マニホールド１１６と排出用マニホールド１１７を備える。これらマニホールドは、図においては単一機構として示されているが、ガスごとに用意されている。また、それぞれの燃料電池セル１１０は、送り込まれた水素ガスと空気とをそれぞれのガスの供給用マニホールド１１６から燃料電池セル積層方向に送り込む供給孔を個別に備え、燃料電池セル内を通過した余剰の水素ガスと空気とを燃料電池セル積層方向に送り込む排出孔を、それぞれのガスの排出用マニホールド１１７に重ねて備える。つまり、水素ガスは、エンドプレート１７０Ｅの側から送り込まれて各燃料電池セルに供給された後、エンドプレート１７０Ｆの側の燃料電池セル１１０からリターンされて、余剰分がエンドプレート１７０Ｅの排出用マニホールド１１７から排出される。空気についても同様である。エンドプレート１７０Ｆとエンドプレート１７０Ｅの両者に給排用マニホールドを設け、反応ガス（水素ガス、空気）および冷却水を例えばエンドプレート１７０Ｆからそれぞれの燃料電池セル１１０に対して供給しつつ、それぞれの燃料電池セル１１０からの排出ガスおよび排出水を、エンドプレート１７０Ｅから排出する構成としてもよい。なお、燃料電池１００は、冷却水の給排マニホールドも有するが、本発明の要旨と直接関係しないので、図１においては、その図示は省略されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各燃料電池セル１１０の発電電力の集電板であり、図示しない集電端子から集電した電力を外部へ出力する。

本実施形態の燃料電池１００は、燃料電池スタック１１０Ｓにおけるセル積層域の内、エンドプレート１７０Ｆの側のスタック端部の所定範囲、例えばセル積層総数の１０％程度のセル数の燃料電池セル１１０を、後述の低圧損調整セル１１０ｔとする。本実施形態では、燃料電池スタック１１０Ｓにおいて２００枚の燃料電池セル１１０を積層させることを想定しているので、低圧損調整セル１１０ｔのセル積層数を３〜２０層の層数となるように予め規定して、この総数で低圧損調整セル１１０ｔを積層する。低圧損調整セル１１０ｔにおけるセル積層数は、本発明における未積層セル数に相当し、以下、低圧損調整セル１１０ｔにおけるセル積層数をスタック端部セル積層数と称する。

図２は本実施形態の燃料電池スタックの製造方法を実施する上で用いるスタック製造装置ＳＭの概略的な機器構成を示す説明図である。スタック製造装置ＳＭは、燃料電池セル１１０を製造するセル製造機器群ＳＭＧから搬入された燃料電池セル１１０の圧損値を、圧損測定機器ＳＭ１で取得する。圧損測定機器ＳＭ１は、搬送されてきた燃料電池セル１１０のアノード側およびカソード側のセル面にプレートを押し付け、例えばアノードにおけるセパレータ表面のガス流路に定流量のガスを送り込みながら、アノード側の圧損値をセルごとに取得する。セル製造機器群ＳＭＧは、セル製造過程において圧損測定機器ＳＭ１と同様の手法でアノード側の圧損値を計測し、その圧損値がセル製造の際の圧損値設計公差範囲（例えば、１３．６〜１６．４ｋＰａ）に含まれるものを良品セルとして、圧損測定機器ＳＭ１に搬入する。つまり、スタック製造装置ＳＭは、アノード側の圧損値が圧損値設計公差範囲に含まれる燃料電池セル１１０の搬入を受け、後述するように、そのセルを積層して燃料電池スタック１１０Ｓを製造する。なお、セル製造機器群ＳＭＧにおいてセルごとに圧損値が計測され、その計測結果がバーコード等にてセルに表記されるのであれば、圧損測定機器ＳＭ１では、バーコード等から圧損値を読み出すようにすればよい。

アノード側の圧損値が取得された燃料電池セル１１０は、セル積層アームＳＭ２に受け渡されて吸引され、このセル積層アームＳＭ２によりセル積層用の第１パレットＰ１、或いは第２パレットＰ２に搬送されて、該当するパレットに積層される。セル積層アームＳＭ２によるセル搬送と積層は、制御装置ＳＭ３が実行制御する後述のスタック製造プロセスに従ってなされる。

制御装置ＳＭ３は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、規定のプログラムを実行することで、セル積層アームＳＭ２によるセル搬送と積層の制御の他、圧損測定機器ＳＭ１で取得した圧損値の記憶や積算、セル製造機器群ＳＭＧへのセル搬入指令の出力等をなす。

図３はスタック製造装置ＳＭを用いたスタック製造プロセスの主要部手順を示す工程図である。図４はスタック製造プロセスの第１分岐手順を示す工程図である。図５はスタック製造プロセスの第２分岐手順を示す工程図である。

図３に示すスタック製造プロセスは、制御装置ＳＭ３が規定のプログラムを実行することで繰り返し進行し、制御装置ＳＭ３は、まず、スタック製造装置ＳＭの圧損測定機器ＳＭ１に燃料電池セル１１０を搬入する（ステップＳ２００）。このセル搬入は、制御装置ＳＭ３からセル製造機器群ＳＭＧへのセル搬入指令によってなされる。圧損測定機器ＳＭ１は、搬入を受けた燃料電池セル１１０についてのアノード側の圧損値を計測して取得し、取得した圧損値を制御装置ＳＭ３に出力する（ステップＳ２１０）。制御装置ＳＭ３は、出力を受けた圧損値を、燃料電池セル１１０を特定するセル番号と対応付けて記憶する。以下、説明の便宜上、ステップＳ２１０で取得した圧損値を取得圧損値と、適宜、称する。

圧損値の取得に続き、制御装置ＳＭ３は、規格変更フラグＦｃが値１であるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。この規格変更フラグＦｃは、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値の対比規格を変更した旨を示すフラグであり、後述の規格変更タイミング（ステップＳ３００）でセットされる。そして、規格変更フラグＦｃは、値ゼロであれば、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値を対比する対比規格範囲を１次規格範囲に設定することを示し、値１であれば、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値を対比する対比規格範囲を２次規格範囲に設定することを示す。１次規格範囲は、セル製造の際の圧損値設計公差範囲に含まれる圧損値範囲であり、圧損値設計公差範囲と同じとすることも、圧損値設計公差範囲より狭小とすることもできる。以下では、１次規格範囲は圧損値設計公差範囲と同じであることを前提に各手順を説明し、１次規格範囲が圧損値設計公差範囲より狭小である場合については後述する。

制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２２０において規格変更フラグＦｃの値が値１ではないと否定判定すると、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値を対比する対比規格範囲を１次規格範囲に設定する（ステップＳ２３０）。その一方、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２２０において規格変更フラグＦｃの値が値１であると判定すると、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値を対比する対比規格範囲を２次規格範囲に設定する（ステップＳ２４０）。

規格変更フラグＦｃに応じた対比規格範囲の設定に続き、制御装置ＳＭ３は、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値がステップＳ２３０或いはステップＳ２４０で設定された対比規格範囲に属するか否かを判定する（ステップＳ２５０）。図３に示すスタック製造プロセスの開始当初は、図２に示す第１パレットＰ１および第２パレットＰ２にセル積層総数（２００枚）の燃料電池セル１１０は未積層であり、積層済みセル数は、図１に示す低圧損調整セル１１０ｔのスタック端部セル積層数をセル積層総数から減算したセル数にも達していない。規格変更フラグＦｃは、後述するように、積層済みセル数がセル積層総数から低圧損調整セル１１０ｔについてのスタック端部セル積層数を減算したセル数に達した時点でセットされるので、図３に示すスタック製造プロセスの開始当初は、規格変更フラグＦｃは初期値（＝０）のままである。よって、現時点のステップＳ２５０では、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値は、ステップＳ２３０で対比規格範囲に設定された１次規格範囲に属するか否かが判定される。

既述したように、セル製造機器群ＳＭＧからは、アノード側の圧損値が圧損値設計公差範囲に含まれる燃料電池セル１１０しかスタック製造装置ＳＭに搬入されない。そして、対比規格範囲に設定された１次規格範囲は圧損値設計公差範囲と同じなので、ステップＳ２５０では、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が１次規格範囲に属すると肯定判定される。この肯定判定に続き、制御装置ＳＭ３は、搬入済み燃料電池セル１１０を、セル積層アームＳＭ２（図２参照）によりメインパレットに搬送して当該パレットに積層する（ステップＳ２６０）。ステップＳ２１０での圧損値の取得と、ステップＳ２５０での搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値と１次規格範囲との対比判定と、この判定に基づいたステップＳ２６０でのパレット積層は、本発明におけるセル第１積層処置に相当する。なお、１次規格範囲が圧損値設計公差範囲より狭小である場合には、ステップＳ２５０において、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が１次規格範囲に属さないと判定されることもあるが、これについては後述する。

メインパレットは、図３に示すスタック製造プロセスの開始時において、図２に示す第１パレットＰ１に設定されていることから、搬入済み燃料電池セル１１０は、第１パレットＰ１に積層される。そのセル積層に伴い、制御装置ＳＭ３は、セル積層数をカウントアップし、次いで、積層済み燃料電池セル１１０についての圧損値を、セル積層数と共に積算して記憶する（ステップＳ２７０）。

メインパレットたる第１パレットＰ１へのセル積層に続き、制御装置ＳＭ３は、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数、即ち図１に示す低圧損調整セル１１０ｔを除くセル積層数に達したか否かの判定（ステップＳ２８０）を行う。図３に示すスタック製造プロセスの開始当初は、既述したように、積層済みセル数は、セル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達していない。よって、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２８０での否定判定を経て、ステップＳ２００のセル搬入を改めて実行し、その後、規格変更フラグＦｃに基づいた対比規格範囲の規定からステップＳ２８０での積層済みセル数の判定までの処理を繰り返す。これにより、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達するまでの積層回数に亘って、ステップＳ２１０の圧損値の取得からステップＳ２６０のパレット積層までのセル第１積層処置が繰り返されることになる。

上記したセル第１積層処置の繰り返しにより、ステップＳ２８０では、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達したと肯定判定される。こうなると、制御装置ＳＭ３は、規格変更フラグＦｃが値１であるか否かを改めて判定する（ステップＳ２９０）。上記したセル第１積層処置の繰り返しの過程において、規格変更フラグＦｃは初期値（＝０）のままであるので、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２９０での否定判定を経て、２次規格範囲の設定と、規格変更フラグＦｃへの値１のセットとを行う（ステップＳ３００）。

ステップＳ３００での２次規格範囲の設定は、次のようになされる。制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２００でのセル搬入を伴うセル第１積層処置の繰り返しにより第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０についての圧損値の積算結果を読み出し、積層済み燃料電池セル１１０の圧損値の平均値を算出する。そして、２次規格範囲を、算出した圧損平均値より小さい圧損値、例えば算出圧損平均値より１％ほど小さい圧損値を上限とする規格範囲に規定する。こうして規定された２次規格範囲は、１次規格範囲の上限値（１６．４ｋＰａ）より小さい圧損値を上限値（例えば、１５．０ｋＰａ）とするので、圧損値設計公差範囲に含まれた上で、既述した１次規格範囲とは異なる規格範囲となる。また、２次規格範囲の上記した上限値は、セル第１積層処置で第１パレットＰ１に積層済み燃料電池セル１１０についての取得圧損値から得られる統計量の一つの圧損平均値を用いて規定されることになる。なお、２次規格範囲の上限値を規定するに当たり、圧損平均値より数％ほど小さい圧損値を上限としたりしてもよい。また、２次規格範囲の下限値は、１次規格範囲の下限値と同じとしてもよいほか、１次規格範囲の下限値より大きくしてもよい。

２次規格範囲の規定に続き、制御装置ＳＭ３は、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数に達したか否かを判定する（ステップＳ３１０）。ステップＳ３００で２次規格範囲の設定がなされた状況では、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達しているものの、セル積層総数には達していない。よって、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ３１０での否定判定を経て、ステップＳ２００のセル搬入を改めて実行し、その後、規格変更フラグＦｃ（＝１）に基づいて対比規格範囲を２次規格範囲に規定した上で（ステップＳ２４０）、この２次規格範囲に搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が属するか否かの判定（ステップＳ２５０）を行う。

ステップＳ３００での２次規格範囲の規定がなされた以降のステップＳ２５０では、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が圧損値設計公差範囲（＝１次規格範囲）であっても、２次規格範囲の上限値が圧損平均値より小さい圧損値であることから、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が２次規格範囲に属さないと判定され得る。このように判定されると、制御装置ＳＭ３は、図４に示すステップＳ３２０に移行して、搬入済み燃料電池セル１１０を、セル積層アームＳＭ２（図２参照）によりサブパレットたる第２パレットＰ２に搬送して当該パレットに積層する。そして、制御装置ＳＭ３は、第２パレットＰ２へのセル積層に伴いセル積層数をカウントアップした上で、第２パレットＰ２に積層済み燃料電池セル１１０についての圧損値を、第２パレットＰ２におけるセル積層数と共に積算して記憶する（ステップＳ３３０）。この圧損値の積算記憶は、メインパレットたる第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０についての圧損値の積算記憶とは別になされる。

制御装置ＳＭ３は、サブパレットたる第２パレットＰ２に積層済み燃料電池セル１１０についての圧損値の記憶に続き、改めてステップＳ２００に移行してセル搬入を実行する。その後は、ステップＳ２４０での規格変更フラグＦｃ（＝１）に基づいた対比規格範囲の規定と、ステップＳ２５０での２次規格範囲に対する搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値の対比判定を行う。この場合であっても、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が２次規格範囲に属さないと判定され得るので、制御装置ＳＭ３は、既述したように搬入済み燃料電池セル１１０の第２パレットＰ２への搬送・積層（ステップＳ３２０）と、第２パレットＰ２への積層済み燃料電池セル１１０についての圧損値の積算・記憶（ステップＳ３３０）を行う。

その一方、ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経てなされるステップＳ２５０での圧損値の対比判定、および、一旦、ステップＳ２５０で圧損値が２次規格範囲に属さないとされた以降のステップＳ２５０での圧損値の対比判定において、搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値が２次規格範囲に属すると肯定判定すると、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２６０に移行する。これにより、新たに搬入済みの燃料電池セル１１０は、それまでにメインパレットたる第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０に、セル積層アームＳＭ２により追加して積層される。ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経た以降のステップＳ２１０での圧損値の取得と、ステップＳ２５０での搬入済み燃料電池セル１１０の圧損値と２次規格範囲との対比判定と、この判定に基づいたステップＳ２６０でのパレット積層は、本発明におけるセル第２積層処置に相当する。

制御装置ＳＭ３は、新たに搬入済みの燃料電池セル１１０の追加・積層に伴い、セル積層数をカウントアップし、次いで、積層済み燃料電池セル１１０についての圧損値を、セル積層数と共に積算して記憶する（ステップＳ２７０）。なお、ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経た以降においては、ステップＳ２７０での圧損値記憶を省略してもよい。これは、ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を一旦経れば、それ以降の第１パレットＰ１へのセル積層の過程で、２次規格範囲を再設定することが無いからである。

新たに搬入済みの燃料電池セル１１０の追加・積層に続き、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２８０において、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達したか否かの判定を行う。ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経た以降のステップＳ２８０では、積層済みセル数はセル積層総数からスタック端部セル積層数を減算したセル数に達しているので、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ２８０の肯定判定を経て、規格変更フラグＦｃが値１であるか否かの判定（ステップＳ２９０）を行う。ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経た以降においては、規格変更フラグＦｃは値１にセット済みであることから、ステップＳ２９０での肯定判定によりステップＳ３００がスキップされ、制御装置ＳＭ３は、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数に達したか否かの判定（ステップＳ３１０）を実行する。ステップＳ３００での２次規格範囲の設定を経てステップＳ２００のセル搬入に移行した製造プロセスの過程であっても、その当初は、積層済みセル数は、セル積層総数に達していないので、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ３１０での否定判定を経て、ステップＳ２００のセル搬入を改めて実行し、その後、規格変更フラグＦｃに基づいた対比規格範囲の規定からステップＳ３１０での積層済みセル数の判定までを処理を繰り返す。これにより、新たに搬入済みの燃料電池セル１１０の第１パレットＰ１への追加・積層を伴う第２積層処置が、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数に達するまでのスタック端部セル積層数に亘って繰り返されることになる。これにより、メインパレットたる第１パレットＰ１には、燃料電池セル１１０がセル積層総数の層数で積層され、燃料電池スタック１１０Ｓが得られる。

上記したセル第２積層処置の繰り返しにより、ステップＳ３１０では、第１パレットＰ１への積層済みセル数がセル積層総数に達したと肯定判定される。このように肯定判定されると、制御装置ＳＭ３は、図５に示すステップＳ３４０に移行して、メインパレットたる第１パレットＰ１を搬出する。このパレット搬出は、図２に図示を省略したパレット搬送装置によりなされ、それまで第１パレットＰ１が配置されていたパレットポジションには、パレットがないことになる。また、パレット搬出先では、燃料電池スタック１１０Ｓが、第１パレットＰ１にセル積層総数で燃料電池セル１１０が積層された状態で得られる。

制御装置ＳＭ３は、次なるパレットへの燃料電池セル１１０の新たな積層に備え、パレット搬出に続き、ステップＳ３００で設定済みの２次規格範囲をクリアすると共に、規格変更フラグＦｃについてもこれを値ゼロにリセットする（ステップＳ３５０）。これにより、次なるパレットへの燃料電池セル１１０の新たな積層は、１次規格範囲との対比結果に応じてなされることになる。

２次規格範囲のクリアに続き、制御装置ＳＭ３は、それまでサブパレットとして扱っていた第２パレットＰ２をメインパレットとしての扱いに変更する（ステップＳ３６０）。第２パレットＰ２には、２次規格範囲に属さないものの圧損値設計公差範囲（＝１次規格範囲）に圧損値が含まれる燃料電池セル１１０がステップＳ３２０により既に積層されている。よって、この第２パレットＰ２をメインパレットとして取り扱うことで、第２パレットＰ２に積層済みの燃料電池セル１１０を、次回の燃料電池スタック１１０Ｓの製造に用いることができる。具体的な処置は、規格変更フラグＦｃがリセット状態なために、ステップＳ２３０での１次規格範囲との圧損値対比により燃料電池セル１１０が搬送されるパレットを、第１パレットＰ１から第２パレットＰ２に変更する。つまり、ステップＳ２６０において、セル積層アームＳＭ２により搬送される燃料電池セル１１０の搬送先パレットを、第２パレットＰ２とし、この第２パレットＰ２をメインパレットとする。これに加え、第１パレットＰ１に積層された燃料電池セル１１０についてステップＳ２７０で記憶していた圧損値を破棄し、第２パレットＰ２に積層済みの燃料電池セル１１０についてステップＳ３３０において記憶していた圧損値を、ステップＳ２７０で記憶済みの圧損値に校正する。

サブパレットの取扱いの変更に続き、制御装置ＳＭ３は、ステップＳ３４０で排出された第１パレットＰ１に代わる空パレットのセル積層ポジションへの搬入を待機する（ステップＳ３７０）。そして、制御装置ＳＭ３は、空パレットの搬入がなされると、ステップＳ２００のセル搬入を改めて実行し、その後、規格変更フラグＦｃ（＝０）に基づいて対比規格範囲を１次規格範囲に規定した上で（ステップＳ２３０）、ステップＳ２５０以降の各処理を既述したように実行する。これにより、第２パレットＰ２についても、既述した手順で燃料電池セル１１０が順次積層される。

図６は本実施形態の燃料電池スタックの製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。既述したスタック製造プロセスでは、対比規格範囲を１次規格範囲とした１次セル積層処置がセル積層当初から繰り返されるので、燃料電池セル１１０の圧損値は、１次規格範囲においてセル積層順に分散する。そして、積層済みセル数がセル積層総数（＝２００）セル積層総数から低圧損調整セル１１０ｔについてのスタック端部セル積層数（＝１５）を減算したセル数（＝１８５）に達すると、対比規格範囲が２次規格範囲とした２次セル積層処置に切り換わり、この２次セル積層処置がスタック端部セル積層数（＝１５）に亘って繰り返される。これにより、スタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値は、２次規格範囲の上限値以下の範囲でセル積層順に分散し、スタック端部のセル積層域において、相対的に低下する。こうして圧損値の低下したセル積層域の燃料電池セル１１０が低圧損調整セル１１０ｔとなる。

図７は圧損値設計公差範囲より狭小な１次規格範囲を用いた製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。例えば、１次規格範囲の下限値を圧損値設計公差範囲の中央値とすると、１次規格範囲は圧損値設計公差範囲の上限側のほぼ半分域となる。このような１次規格範囲を用いた１次セル積層処置の繰り返し過程では、図７に示すように、１次規格範囲の下限値である圧損値設計公差範囲の中央値を下回る圧損値の分布は見られず、燃料電池セル１１０の圧損値は、圧損値設計公差範囲の上限側のほぼ半分域に相当する１次規格範囲において分散する。よって、この場合の積層済み燃料電池セル１１０の圧損値の平均値は、１次規格範囲を圧損値設計公差範囲と同じとした場合より大きくなる。

この１次セル積層処置の繰り返し過程においても、圧損値が圧損値設計公差範囲の中央値より小さい燃料電池セル１１０は搬入されるが、この燃料電池セル１１０は、１次セル積層処置の繰り返し過程におけるステップＳ２５０の否定判定に続くステップＳ３４０にて、サブプレートたる第２パレットＰ２に積層される。こうして第２パレットＰ２に積層された燃料電池セル１１０は、対比規格範囲を２次規格範囲とした２次セル積層処置の繰り返し過程で第２パレットＰ２に積層された燃料電池セル１１０と共に、次回の燃料電池スタック１１０Ｓの製造に用いられる。

積層済みセル数がセル積層総数（＝２００）セル積層総数から低圧損調整セル１１０ｔについてのスタック端部セル積層数（＝１５）を減算したセル数（＝１８５）に達した以降の２次セル積層処置の繰り返しにより、スタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値は、２次規格範囲の上限値以下の範囲で分散し、スタック端部のセル積層域において、相対的に低下する。こうして圧損値の低下したセル積層域の燃料電池セル１１０が低圧損調整セル１１０ｔとなる。

以上説明した本実施形態の燃料電池スタックの製造方法では、図６と図７に示すように、対比規格範囲を１次規格範囲とした１次セル積層処置の繰り返しにより、積層済みセル数がセル積層総数（＝２００）セル積層総数からスタック端部セル積層数（＝１５）を減算したセル数（＝１８５）までに亘るセル積層域は、圧損値が１次規格範囲において分散したセル積層形態となる。そして、対比規格範囲を、１次セル積層処置の繰り返しで得られたセル積層域における圧損平均値より小さい圧損値を上限とする２次規格範囲とした上で、この２次規格範囲を用いた２次セル積層処置のスタック端部セル積層数（＝１５）に亘る繰り返しにより、スタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値を、２次規格範囲の上限値以下の範囲で分散させ、このセル積層域の燃料電池セル１１０を低圧損値（低圧損特性）の低圧損調整セル１１０ｔとする。こうしたセル積層により得られた燃料電池スタック１１０Ｓでは、燃料電池セル１１０に供給されるガスについての圧損は、スタック端部で相対的に小さくなる。そして、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、スタック端部で圧損を小さくする圧損調整を図るに当たり、圧損値設計公差に含まれる１次規格範囲の設定と、この１次規格範囲より上限値が小さい２次規格範囲の設定とを行えば良いので、圧損が異なる多種類の燃料電池セルの意図的な製造が不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

本実施形態の燃料電池スタックの製造方法では、用いるスタック製造装置ＳＭが複数パレットへのセル積層が可能なスペックであれば足りるので、既存設備を流用して、スタック端部で圧損値が相対的に小さい燃料電池スタック１１０Ｓを容易、且つ、安価に製造できる。

図８は２次規格範囲の下限値を１次規格範囲の下限値より大きくした第２実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。既述した実施形態では、２次規格範囲を算出圧損平均値より小さい圧損値を上限とする規格範囲に規定し、その下限値については、１次規格範囲と同じとしたが、第２実施形態では、２次規格範囲の下限値を１次規格範囲の下限値より大きくした。図８に示す第２実施形態の圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たっては、図２のステップＳ３００において２次規格範囲を規定する際に、その上限値と共に、下限値も規定すればよい。例えば、２次規格範囲の下限値を、１次規格範囲の下限値より数％大きな圧損値とする。こうすれば、スタック端部では、算出圧損平均値より１％ほど小さい圧損値である２次規格範囲の上限値以下で、且つ、１次規格範囲の下限値より数％大きな圧損値である２次規格範囲の下限値以上の圧損値の燃料電池セル１１０が積層される。このように２次規格範囲の下限値を１次規格範囲の下限値より大きくすれば、スタック端部で積層された燃料電池セル１１０の圧損値分布を狭くできる。こうして規定した２次規格範囲は、１次規格範囲の下限値より大きい圧損値を下限とするので、１次規格範囲より狭い規格範囲となる。そして、このような圧損値分布を持つ燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たり、圧損が異なる多種類の燃料電池セルの意図的な製造が不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

図９は２次規格範囲の上限値を算出圧損平均値より大きくした第３実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。既述した実施形態では、ステップＳ３００での２次規格範囲の設定において、算出圧損平均値より小さい圧損値を上限とする規格範囲を２次規格範囲として規定したが、第３実施形態では、算出圧損平均値より大きい圧損値を下限とする規格範囲を２次規格範囲として規定した。図９に示す第３実施形態の圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たっては、図２のステップＳ３００において２次規格範囲を規定する際に、２次規格範囲の下限値を算出圧損平均値より大きい圧損値とする。こうして規定した２次規格範囲は、その下限値が１次規格範囲の下限値より大きい圧損値であることから、１次規格範囲より狭い規格範囲となる。この２次規格範囲に含まれる燃料電池セル１１０を積層したスタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値を、算出圧損平均値より大きい圧損値である２次規格範囲の下限値以上の範囲で分散させ、このセル積層域の燃料電池セル１１０を高圧損値の調整セルとできる。よって、セル積層により得られた燃料電池スタック１１０Ｓでは、燃料電池セル１１０に供給されるガスについての圧損を、スタック端部で相対的に大きくできる。スタック端部で高圧損値（高圧損特性）の燃料電池セル１１０を積層すれば、高圧損値への調整がなされたセル端部の燃料電池セル１１０を、発電監視用の燃料電池セルとできる。そして、このような圧損値分布を持つ燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たり、圧損が異なる多種類の燃料電池セルの意図的な製造が不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

図１０は２次規格範囲の上下限値を算出圧損平均値を用いて規定した第４実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。既述した実施形態では、ステップＳ３００での２次規格範囲の設定において、算出圧損平均値より小さい圧損値を上限とする規格範囲を２次規格範囲として規定したが、第４実施形態では、算出圧損平均値の±２％の範囲を２次規格範囲として規定した。図１０に示す第４実施形態の圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たっては、図２のステップＳ３００において２次規格範囲を規定する際に、２次規格範囲の上限値を算出圧損平均値の１．０２倍の圧損値とし、下限値を算出圧損値の０．９８倍の圧損値とする。こうして規定した２次規格範囲は、その下限値が１次規格範囲の下限値より大きく、上限値も１次規格範囲より小さい圧損値であることから、１次規格範囲より狭い規格範囲となる。この２次規格範囲に含まれる燃料電池セル１１０を積層したスタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値を、算出圧損平均値の±２％の範囲で分散させ、このセル積層域の燃料電池セル１１０を算出圧損平均値に近似した圧損値が並んだ調整セルとできる。よって、セル積層により得られた燃料電池スタック１１０Ｓでは、燃料電池セル１１０に供給されるガスについての圧損を、スタック端部で相対的に算出圧損平均値に近似させることができる。そして、このような圧損値分布を持つ燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たり、圧損が異なる多種類の燃料電池セルの意図的な製造が不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

図１１は２次規格範囲を算出圧損平均値を用いて２段階に規定した第４実施形態の製造方法で得られた燃料電池スタック１１０Ｓにおける燃料電池セル１１０ごとの圧損値の分布の様子を示す説明図である。この第４実施形態では、算出圧損平均値の±４％の範囲を前半２次規格範囲として規定し、算出圧損平均値の±２％の範囲を後半２次規格範囲として規定した。前半２次規格範囲の圧損値で積層するセル枚数は、２次積層処置の対象となるスタック端部における１８１層目のセルから１９７層目のセルまでの１７枚とし、後半２次規格範囲の圧損値で積層するセル枚数は、２次積層処置の対象となるスタック端部における１９８層目のセルから２００層目のセルまでの３枚とした。図１１に示す第４実施形態の圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たっては、図２のステップＳ３００において２次規格範囲を規定する際に、前半２次規格範囲の上限値を算出圧損平均値の１．０４倍の圧損値とし、下限値を算出圧損値の０．９６倍の圧損値とする。後半２次規格範囲の設定は、前半２次規格範囲に含まれる圧損値の燃料電池セル１１０が上記した１７枚積層された後に、図２のステップＳ３００において、その上限値が算出圧損平均値の１．０２倍の圧損値となり、下限値が算出圧損値の０．９８倍の圧損値となるように規定する。こうして規定した前後半の２次規格範囲は、その下限値が１次規格範囲の下限値より大きく、上限値も１次規格範囲より小さい圧損値であることから、１次規格範囲より狭い規格範囲となる。この前後半の２次規格範囲に含まれる燃料電池セル１１０を積層したスタック端部では、燃料電池セル１１０の圧損値を、算出圧損平均値の±２％の範囲で分散させ、このセル積層域の燃料電池セル１１０を中圧損値の調整セルとできる。よって、セル積層により得られた燃料電池スタック１１０Ｓでは、燃料電池セル１１０に供給されるガスについての圧損を、１８１層目のセルから１９７層目のセルまでについて相対的に算出圧損平均値に近似させ、１９８層目のセルから２００層目のセルまでについては、その圧損をより一層と算出圧損平均値に近似させることができる。そして、このような圧損値分布を持つ燃料電池スタック１１０Ｓを得るに当たり、圧損が異なる多種類の燃料電池セルの意図的な製造が不要となり、コスト低減や作業の簡便化を図ることができる。

図１１に示した圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓを、２００層目の燃料電池セル１１０が図１におけるエンドプレート１７０Ｅの側となるようにした燃料電池１００では、次の利点がある。この燃料電池１００は、前後半の２次規格の圧損値とした燃料電池セル１１０が積層されたスタック端部をエンドプレート１７０Ｅの側に備える。エンドプレート１７０Ｅの側においては、スタック端部の燃料電池セル１１０がガス流入に対して奥側に位置するので、このスタック端部の燃料電池セル１１０には、ガスが入り難くなる。しかしながら、図１１に示した圧損値分布の燃料電池スタック１１０Ｓでは、ガスが入り難い側のスタック端部の燃料電池セル１１０を、１８１〜１９７層目までは算出圧損平均値の±４％の範囲の圧損値とし、１９８〜２００層目の燃料電池セル１１０の圧損値を算出圧損平均値の±２％の範囲とするので、エンドプレート１７０Ｅの側のスタック端部の燃料電池セル１１０についても、ガスが流入しやすくできる。また、１９８〜２００層目の燃料電池セル１１０では、最端部である故に、生成水が溜まり易くなり勝ちであるが、算出圧損平均値の±２％の範囲の圧損値に揃えることで、生成水を貯まりにくくできる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

既述した実施形態では、第１パレットＰ１と第２パレットＰ２とをメインパレットとサブパレットとして用いるようにしたが、複数のパレットにセル積層を行うようにしてもよい。例えばは、第１パレットＰ１をツーパレット準備し、これらをセル積層当初にはメインパレットとして取扱い、同じくツーパレット準備した第２パレットＰ２をサブパレットとして取り扱えばよい。

既述した実施形態では、アノード側の圧損値を取得したが、カソード側の圧損値を取得して圧損調整を図るようにしてもよい。冷却水の流路についての圧損値を取得して圧損調整を図るようにしてもよい。

既述した実施形態では、２次規格範囲を規定するに当たり、第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０について取得した取得圧損値から算出した圧損平均値を用いたが、この取得圧損値から得られる他の統計量を用いてもよい。例えば、第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０について取得した圧損値の中央値や最頻値といった統計量を用いて、２次規格範囲を規定してもよい。この他、第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０について取得した圧損値の最大値を上限とし、既述した圧損平均値を下限とするよう２次規格範囲を規定したり、第１パレットＰ１に積層済みの燃料電池セル１１０について取得した圧損値の最小値を下限とし、既述した圧損平均値を上限とするよう２次規格範囲を規定してもよい。

既述した実施形態では、スタック端部セル積層数を１５〜２０としたが、スタック端部セル積層数を１０程度としてもよい。

１００…燃料電池、１１０…燃料電池セル、１１０Ｓ…燃料電池スタック、１１０ｔ…低圧損調整セル、１１６…供給用マニホールド、１１７…排出用マニホールド、１６０Ｅ、１６０Ｆ…ターミナルプレート、１６５Ｅ、１６５Ｆ…絶縁板、１７０Ｆ、１７０Ｅ…エンドプレート、Ｐ１…第１パレット、Ｐ２…第２パレット、ＳＭ…スタック製造装置、ＳＭ１…圧損測定機器、ＳＭ２…セル積層アーム、ＳＭ３…制御装置、ＳＭＧ…セル製造機器群

Claims (1)

1. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記燃料電池セルごとに圧損値を取得し、該取得した取得圧損値がセル製造の際の圧損値設計公差範囲に含まれる１次規格範囲に属する前記燃料電池セルをセル積層用のパレットに積層するセル第１積層処置を、予め規定した未積層セル数の分だけセル積層総数より少ない積層回数に亘って繰り返す工程と、
   前記セル第１積層処置で前記パレットに積層済み燃料電池セルについての前記取得圧損値から得られる統計量を用いて、前記１次規格範囲とは異なる２次規格範囲を規定する工程と、
   前記燃料電池セルごとに圧損値を取得し、該取得した圧損値が前記２次規格範囲に属する前記燃料電池セルを前記パレットに追加して積層するセル第２積層処置を、前記未積層セル数の積層回数に亘って繰り返す工程とを備える、
   燃料電池スタックの製造方法。

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