JP2020140939A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータ積層体の各セパレータの塑性変形の発生を防止するとともに、各セパレータを確実に１枚ずつ吸着することができる燃料電池セルの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池セル１０の製造方法は、複数のセパレータが鉛直方向に積層されたセパレータ積層体Ｗからカソード側セパレータ１２またはアノード側セパレータ１３を１枚ずつ吸着して搬送する製造方法であって、セパレータ積層体Ｗの上部に、鉛直方向に直交する水平方向の力Ｆ１と力Ｆ２を交互に作用させてセパレータ積層体Ｗが積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度θになるように傾斜させることにより、セパレータ積層体Ｗの各セパレータを互いに分離させ、分離した各セパレータを１枚ずつ吸着して搬送する。【選択図】図３

Description

本発明は、セパレータ積層体からセパレータを１枚ずつ吸着して搬送する燃料電池セルの製造方法に関する。

この種の燃料電池セルの製造方法として、セパレータ積層体からセパレータを１枚ずつ吸着して搬送する際に、内圧用ハンドによりセパレータ積層体を基台側に押し付け、各セパレータを湾曲させ、さらに内圧用ハンドにより空気を噴射させて最上部のセパレータに浮力を生じさせて分離し、最上部のセパレータを吸着して搬送するものが開示されている（特許文献１参照）。また、図５（ａ）に示すように、セパレータ積層体を一対の上冶具で挟み込んで圧縮させ、図５（ｂ）に示すように、下冶具で押し上げることで、各セパレータを強制的に曲げてセパレータ同士を分離させるものがある。この場合、最大５個で５００ｇ程度の燃料電池セルが積載される。強制的にセパレータを曲げて分離し、図５（ｃ）に示すように、吸着冶具で１枚ずつ吸着して搬送するものがある。

特開２０１８−１１３２１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池セルの製造方法は、内圧用ハンドによりセパレータ積層体を基台側に押し付け、各セパレータを湾曲させる際に、セパレータに塑性変形が発生してしまうおそれがあるという問題がある。一方、一対の上冶具および下冶具でセパレータを分離させるものも、各セパレータを分離させる際に、セパレータに塑性変形が発生し寸法精度が悪化してしまうおそれがある。さらに、強制的にセパレータを曲げることで、セル内接着シール部へ負荷が掛かり接着シール部の剥離発生によりスタッキングなどの後工程で不具合が発生するおそれがあるという問題がある。具体的には、セパレータの塑性変形により、燃料電池セルの平面度が悪化することで、厚み方向の寸法のばらつきが大きくなり、数１００枚の積層後に締結する際の荷重分布のばらつきも大きくなってしまう。また、セパレータを曲げることで、セパレータ間に剥離方向およびせん断方向
の力が発生する。これにより、燃料電池セル内の接着シール部に大きな変形が生じ、剥離力およびせん断力による接着剥がれが発生するおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、セパレータ積層体の各セパレータの塑性変形の発生を防止するとともに、各セパレータを確実に１枚ずつ吸着することができる燃料電池セルの製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池セルの製造方法は、複数のセパレータが鉛直方向に積層されたセパレータ積層体に対して上方から前記セパレータを１枚ずつ吸着して搬送する燃料電池セルの製造方法であって、前記セパレータ積層体の上部に、鉛直方向に直交する水平方向の力を作用させて前記セパレータ積層体が積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度になるように傾斜させることにより、前記セパレータ積層体の各セパレータを互いに分離させ、分離した前記セパレータを１枚ずつ吸着して搬送することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セルの製造方法においては、セパレータ積層体の上部に、鉛直方向に直交する水平方向の力を作用させてセパレータ積層体が積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度になるように傾斜させると、互いに固着されている各セパレータ同士にせん断力が作用する。このせん断力により各セパレータ同士が分離し、セパレータ積層体の上方からセパレータを吸着した際に、セパレータを１枚ずつ吸着して搬送することができる。各セパレータ同士がせん断力により分離されるので、各セパレータに曲げ方向の力が作用することはなく、各セパレータに塑性変形が発生することはない。

本発明によれば、セパレータ積層体の各セパレータの塑性変形の発生を防止するとともに、各セパレータを確実に１枚ずつ吸着することができる燃料電池セルの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法におけるセパレータの分離および搬送の工程図。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法に使用するセパレータ分離装置の図であり、図３（ａ）は、セパレータ分離装置の構成を示し、図３（ｂ）は、セパレータ積層体を傾斜させた状態を示し、図３（ｃ）は、セパレータ積層体を反対側に傾斜させた状態を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法に使用するセパレータ分離装置の動作を説明する説明図であり、図４（ａ）は、動作開始前の状態を示し、図４（ｂ）は、セパレータ積層体を傾斜させた状態を示し、図４（ｃ）は、セパレータ積層体を反対側に傾斜させた状態を示し、図４（ｄ）は、動作終了後、分離したセパレータを吸着して搬送する状態を示す。 従来の燃料電池セルの製造方法に使用する上冶具および下冶具の動作を説明する説明図であり、図５（ａ）は、セパレータ積層体を一対の上冶具で挟み込んで圧縮させた状態を示し、図５（ｂ）は、セパレータ積層体を下冶具で押し上げた状態を示し、図５（ｃ）は、上冶具および下冶具の動作終了後、分離したセパレータを吸着して搬送する状態を示す。

本発明に係る燃料電池セルの製造方法を適用した実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法について図面を参照して説明する。まず、燃料電池セル１０の構成について説明する。

燃料電池セル１０は、図１に示す膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly、以下ＭＥＧＡという。）１１と、カソード側セパレータ１２と、アノード側セパレータ１３と、シール部材１４とにより構成されている。燃料電池セル１０は、複数個が積層されて図示しない燃料電池を構成する。

なお、実施形態に係る燃料電池セル１０のカソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３は、それぞれ本発明に係る燃料電池セルの製造方法のセパレータに対応する。

ＭＥＧＡ１１は、図示しない膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという。)と、カソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer、以下ＧＤＬという。）と、アノード側ＧＤＬとにより構成されている。

ＭＥＡは、図示しない電解質膜と、カソード側触媒層と、アノード側触媒層との接合体で構成されている。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有している。

カソード側触媒層は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。

アノード側触媒層は、カソード側触媒層と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層と異なり、水素ガス（Ｈ_２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。

カソード側ＧＤＬは、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側ＧＤＬは、カソード側触媒層の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

アノード側ＧＤＬは、カソード側ＧＤＬと同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側ＧＤＬは、アノード側触媒層の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

カソード側セパレータ１２は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ１２は、カソード側ＧＤＬおよびシール部材１４の接着領域に接着されており、カソード側ＧＤＬの表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路が形成されている。カソード側セパレータ１２の表面は、チタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

アノード側セパレータ１３は、カソード側セパレータ１２と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ１３は、アノード側ＧＤＬおよびシール部材１４の接着領域に接合されており、アノード側ＧＤＬの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路が形成されている。アノード側セパレータ１３の表面は、カソード側セパレータ１２の表面と同様、表面にチタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

シール部材１４は、合成樹脂で枠状に形成されたコア材と、コア材の表面および裏面に形成された各接着層を有する３層構造で構成されており、カソード側セパレータ１２およびアノード側セパレータ１３を接着するとともに、ＭＥＧＡ１１を構成する電解質膜と接合されている。シール部材は、燃料極の水素ガス（Ｈ_２）や空気極の酸素ガス（Ｏ_２）が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。

次いで、本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法について、図面を参照して説明する。

燃料電池セル１０の製造方法は、カソード側セパレータ１２またはアノード側セパレータ１３（以下、単にセパレータという。）をプレス加工により作製するセパレータプレス工程、セパレータにカーボン系表面処理やナノカーボン処理を行う表面処理工程、セパレータ積層体Ｗを構成するセパレータを分離して搬送する分離搬送工程、および作製された各構成要素を積層して燃料電池セル１０を作製するセル化工程を含んで構成されている。

本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法は、分離搬送工程に特徴があり、以下、分離搬送工程について図面を参照して説明する。

分離搬送工程は、図２に示す各ステップを含んで構成されており、セパレータ分離装置２０および搬送装置３０を用いて行われる。即ち、分離搬送工程は、セパレータ積層体Ｗを準備する工程、セパレータ積層体Ｗをセパレータ分離装置２０に収容する工程、セパレータ積層体Ｗを分離する工程、セパレータを吸着する工程およびセパレータを搬送する工程を含んで構成されている。
ます、セパレータ分離装置２０および搬送装置３０について図面を参照して説明する。

セパレータ分離装置２０は、図３（ａ）に示すように、ベースプレート２１と、サイドプレート２２、２３と、プレートホルダ２４、２５と、回転シャフト２６、２７と、図示しない加圧機構とにより構成されている。

ベースプレート２１は、所定の位置に設置された静止部材からなり、回転シャフト２６、２６を支持する支持部２１ａ、２１ｂを有している。また、ベースプレート２１は、上面部２１ｃにセパレータ積層体Ｗが載置されるように構成されている。

サイドプレート２２は、セパレータ積層体Ｗの一方の側面部を保持するとともに、鉛直方向の下方で、ベースプレート２１の支持部２１ａに回転シャフト２６を介して、回転シャフト２６を中心として回転するように取り付けられている。サイドプレート２３は、サイドプレート２２と同様、セパレータ積層体Ｗの他方の側面部を保持するとともに、鉛直方向の下方で、ベースプレート２１の支持部２１ｂに回転シャフト２７を介して、回転シャフト２７を中心として回転するように取り付けられている

プレートホルダ２４は、サイドプレート２２の鉛直方向の上方で、サイドプレート２２を保持している。また、プレートホルダ２４は、図３（ｂ）に示すように、加圧機構から伝達された力Ｆ１をサイドプレート２２に作用させ、回転シャフト２６を中心として、サイドプレート２２の傾斜角度がθになるようにサイドプレート２２を回転させるように構成されている。

サイドプレート２２の傾斜角度がθになると、セパレータ積層体Ｗを介して、サイドプレート２３も、回転シャフト２７を中心として、サイドプレート２３の傾斜角度がθになるようにサイドプレート２３が回転する。即ち、サイドプレート２２およびサイドプレート２３はセパレータ積層体Ｗを介して、連動するように構成されている。

プレートホルダ２５は、サイドプレート２３の鉛直方向の上方で、サイドプレート２３を保持している。また、プレートホルダ２５は、図３（ｃ）に示すように、加圧機構から伝達された力Ｆ２をサイドプレート２３に作用させ、回転シャフト２７を中心として、サイドプレート２３の傾斜角度がθになるようにサイドプレート２３を回転させるように構成されている。

サイドプレート２３の傾斜角度がθになると、セパレータ積層体Ｗを介して、サイドプレート２２も、回転シャフト２６を中心として、サイドプレート２２の傾斜角度がθになるようにサイドプレート２２が回転する。

回転シャフト２６は、一端部が、ベースプレート２１の支持部２１ａに支持され、他端部が、サイドプレート２２を支持しており、サイドプレート２２が、ベースプレート２１に対して相対的に回転するように構成されている。

回転シャフト２７は、回転シャフト２６と同様、一端部が、ベースプレート２１の支持部２１ｂに支持され、他端部が、サイドプレート２３を支持しており、サイドプレート２３が、ベースプレート２１に対して相対的に回転するように構成されている。

加圧機構は、セパレータ積層体Ｗの鉛直方向の上部に位置するプレートホルダ２４に対して、鉛直方向に直交する水平方向の力Ｆ１を作用させて、図３（ｂ）に示すように、セパレータ積層体Ｗが積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度θになるように傾斜させるように構成されている。加圧機構は図示しないコントローラに接続され、コントローラにより制御されるように構成されている。

また、加圧機構は、セパレータ積層体Ｗの鉛直方向の上部に位置するプレートホルダ２５に対して、鉛直方向に直交する水平方向の力Ｆ２を作用させて、図３（ｃ）に示すように、セパレータ積層体Ｗが積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度θになるように傾斜させるように構成されている。

搬送装置３０は、図３（ａ）に示すように、吸着機構３１を含んでおり、接続されたコントローラにより動作が制御される。搬送装置３０は、セパレータ分離装置２０により分離されたセパレータ積層体Ｗの最上部のセパレータを吸着して、他の工程が行われる場所までセパレータ１枚ずつ搬送する構成を有している。

次いで、分離搬送工程について図面を参照して説明する。

セパレータ積層体Ｗを準備する工程おいては、図２に示すように、まず、必要なセパレータ積層体Ｗが準備される（ステップＳ１）。次いで、セパレータ積層体Ｗをセパレータ分離装置２０に収容する工程においては、準備されたセパレータ積層体Ｗが、図４（ａ）に示すように、ベースプレート２１の上面部２１ｃに載置され、サイドプレート２２、２３により挟み込まれて、セパレータ積層体Ｗがセパレータ分離装置２０に収容される（ステップＳ２）。

次いで、セパレータ積層体Ｗを分離する工程においては、まず、図４（ｂ）に示すように、コントローラの制御により、加圧機構からプレートホルダ２４に対して力Ｆ１が加えられる。力Ｆ１により、サイドプレート２２が回転シャフト２６を中心として回転し、図３（ｂ）に示すように、鉛直方向に対してサイドプレート２２が傾斜角度θで傾いて停止する。

同時に、サイドプレート２３がセパレータ積層体Ｗを介して回転シャフト２７を中心として回転し、鉛直方向に対してサイドプレート２３が傾斜角度θで傾いて停止する。この動作により、セパレータ積層体Ｗの各セパレータの固着部分にせん断力が作用し、各セパレータが互いに分離される（ステップＳ３）。

次いで、コントローラの制御により、加圧機構からプレートホルダ２５に対して、力Ｆ１と反対方向の力Ｆ２が加えられる。力Ｆ２により、サイドプレート２３が回転シャフト２７を中心として回転し、図３（ｃ）に示すように、鉛直方向に対してサイドプレート２３が傾斜角度θで傾いて停止する。

同時に、サイドプレート２２がセパレータ積層体Ｗを介して回転シャフト２６を中心として回転し、鉛直方向に対してサイドプレート２２が傾斜角度θで傾いて停止する。この動作により、セパレータ積層体Ｗの各セパレータの固着部分にせん断力が作用し、各セパレータが互いに分離される。コントローラの制御により力Ｆ１と力Ｆ２とが、交互に繰り返し加えられた後、セパレータ積層体Ｗの各セパレータの分離が完了する。

次いで、セパレータを吸着する工程においては、図４（ｄ）に示すように、コントローラの制御により、プレートホルダ２４に対して力Ｆ３が加えられ、サイドプレート２２が回転シャフト２６を中心として、セパレータ積層体Ｗから離隔する方向に回転し、所定の角度で停止する。同時に、プレートホルダ２５に対して力Ｆ４が加えられ、サイドプレート２３が回転シャフト２７を中心として、セパレータ積層体Ｗから離隔する方向に回転し、所定の角度で停止する。

この状態で、搬送装置３０の吸着機構３１が、分離したセパレータ積層体Ｗの上方から、セパレータ積層体Ｗの最上部のセパレータを吸着する（ステップＳ４）。続いて、セパレータを搬送する工程において、吸着されたセパレータが所定の場所に搬送される（ステップＳ５）。セパレータを吸着する工程およびセパレータを搬送する工程は、順次セパレータの１枚毎に行われる。

以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法は、鉛直方向に積層されたセパレータ積層体Ｗからセパレータを１枚ずつ吸着して搬送する製造方法であって、セパレータ積層体Ｗの上部に、鉛直方向に直交する水平方向の力Ｆ１またはＦ２を作用させてセパレータ積層体Ｗが積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度θになるように傾斜させることにより、セパレータ積層体Ｗの各セパレータを互いに分離させ、分離したセパレータを１枚ずつ吸着して搬送するものである。

この構成により、セパレータ積層体Ｗの上部に、力Ｆ１またはＦ２を作用させてセパレータ積層体Ｗが積層されている方向が所定の傾斜角度θになるようにセパレータ積層体Ｗを傾斜させると、互いに固着されている各セパレータ同士にせん断力が作用するという効果が得られる。このせん断力により各セパレータ同士が分離し、セパレータ積層体の上方から最上部のセパレータを吸着した際に、セパレータを１枚ずつ吸着して搬送することができる。この方法によれば、各セパレータ同士がせん断力により分離されるので、各セパレータに曲げ方向の力が作用することはなく、各セパレータが撓みによって塑性変形することはないという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・燃料電池セル、１１・・・ＭＥＧＡ、１２・・・カソード側セパレータ（セパレータ）、１３・・・アノード側セパレータ（セパレータ）、１４・・・シール部材、２０・・・セパレータ分離装置、２１・・・ベースプレート、２１ａ，２１ｂ・・・支持部、２１ｃ・・・上面部、２２，２３・・・サイドプレート、２４，２５・・・プレートホルダ、２５，２６・・・回転シャフト、３０・・・セパレータ搬送装置、３１・・・吸着機構、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４・・・力、Ｗ・・・セパレータ積層体、θ・・・傾斜角度

Claims (1)

1. 複数のセパレータが鉛直方向に積層されたセパレータ積層体に対して上方から前記セパレータを１枚ずつ吸着して搬送する燃料電池セルの製造方法であって、
   前記セパレータ積層体の上部に、鉛直方向に直交する水平方向の力を作用させて前記セパレータ積層体が積層されている方向を鉛直方向から所定の傾斜角度になるように傾斜させることにより、前記セパレータ積層体の各セパレータを互いに分離させ、分離した前記セパレータを１枚ずつ吸着して搬送することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
   
   

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