JP2022029893A - 発電セル積層体の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層単位同士のずれが可及的に抑制された発電セル積層体を効率的に得る。【解決手段】発電セル積層体１２の製造方法の用意工程では、振動可能な積層ガイド部９０が上方に突出して設けられた載置台７６と、積層ガイド部９０にガイドされる位置決め部７４が設けられた積層単位Ｅとを用意する。載置工程では、上下方向に振動させた積層ガイド部９０に位置決め部７４を沿わせつつ、載置台７６に向かって積層単位Ｅを落下させることで、載置台７６上に積層単位Ｅを載置する。【選択図】図７

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを重ね合わせた積層単位を複数積層して得られる発電セル積層体の製造方法及び製造装置に関する。

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一面側にアノード電極が配設され、且つ該電解質膜の他面側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されて発電セルを構成する。燃料電池は、通常、数十～数百の発電セルを積層した発電セル積層体を備え、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層された各発電セルのアノード電極とカソード電極とに、それぞれ反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するべく、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。この場合、反応ガスのシール性等を確保するために、発電セル積層体の積層単位を高精度に位置決めしつつ積層して発電セル積層体を組み立てる必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示される位置決め治具を用いて積層単位を複数積層することにより、発電セル積層体を組み立てることが考えられる。位置決め治具は、板状の治具ベースと、治具ベースに突設された位置決めピンとを有する。積層単位には、位置決めピンが挿通される位置決め孔を予め設けておく。位置決めピンを位置決め孔に挿通し、位置決めピンの外周面と位置決め孔の内周面とを沿わせながら、治具ベース上に積層単位を落下させる。このようにして、複数の積層単位を位置決めしつつ積層していくことで、発電セル積層体を得ることが可能になる。

特開２００５－２９６７４６号公報

上記の位置決め治具を用いて積層単位を積層する場合、位置決めピンの外周面と位置決め孔の内周面との間に生じる摩擦力が大きくなり易い。これにより、位置決めピンに沿った積層単位の落下が阻害されると、位置決めピンの延在方向の途中に積層単位が留まってしまい、治具ベース上に積層単位を効率的に積層して発電セル積層体を得ることが困難になる懸念がある。

これを回避するべく、例えば、位置決めピンの外周面と位置決め孔の内周面とのクリアランスを大きくすることが考えられる。しかしながら、この場合、位置決めピンの外周面と位置決め孔の内周面とを沿わせながら治具ベース上に積層単位を落下させても、複数の積層単位を高精度に位置決めしつつ積層することが困難になる懸念がある。

従って、積層単位同士のずれが抑制された発電セル積層体を効率的に得ることは困難であった。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、積層単位同士のずれが可及的に抑制された発電セル積層体を効率的に得ることが可能な発電セル積層体の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜の両側に電極が配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを重ね合わせた積層単位を載置台上に複数積層して発電セル積層体を得る発電セル積層体の製造方法であって、振動可能な積層ガイド部が上方に突出して設けられた前記載置台と、前記積層ガイド部にガイドされる位置決め部が設けられた前記積層単位とを用意する用意工程と、上下方向に振動させた前記積層ガイド部に前記位置決め部を沿わせつつ、前記載置台に向かって前記積層単位を落下させることで、前記載置台上に前記積層単位を載置する載置工程と、を有する。

本発明の別の一態様は、電解質膜の両側に電極が配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを重ね合わせた積層単位を複数積層して得られる発電セル積層体の製造装置であって、前記積層単位が載置される載置面を有する載置台と、前記載置面から上方に突出する積層ガイド部と、前記積層ガイド部に上下方向に振動を付与する振動付与部と、を備え、前記振動付与部により振動が付与された前記積層ガイド部に、前記積層単位に設けられた位置決め部を沿わせつつ、前記載置面に向かって前記積層単位を落下させることで、前記載置台上に前記積層単位が載置される。

本発明では、積層ガイド部に積層単位の位置決め部を沿わせつつ、載置台に向かって積層単位を落下させることで、載置台上に積層単位を載置する。この際、積層ガイド部を上下方向に振動させる。これによって、積層ガイド部と位置決め部との間に生じる摩擦力を、静止摩擦力よりも小さい動摩擦力とすることができる。つまり、積層ガイド部と位置決め部との間に生じる摩擦力が大きくなることを抑制できる。

その結果、積層ガイド部と、積層単位の位置決め部とのクリアランスを大きくすること等なく、積層ガイド部に沿った積層単位の落下が阻害されることを抑制できる。つまり、載置台上に複数の積層単位を高精度に位置決めしつつ効率的に積層することが可能になる。

以上から、本発明によれば、積層単位同士のずれが可及的に抑制された発電セル積層体を効率的に得ることができる。

本実施形態に係る発電セル積層体の製造方法を適用して得られる発電セル積層体を備える燃料電池スタックの斜視図である。 積層単位の斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 セパレータ（第１バイポーラプレート）の酸化剤ガス流路側の正面図である。 本実施形態に係る発電セル積層体の製造装置の概略斜視図である。 図５の製造装置の断面図である。 図６の載置台に積層単位を載置する載置工程を説明する説明図である。 載置工程のさらなる説明図である。 積層された複数の積層単位及び積層ガイド部を載置台上から取り外す取り外し工程を説明する説明図である。

本発明に係る発電セル積層体の製造方法及び製造装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１に示すように、本実施形態に係る発電セル積層体の製造方法及び製造装置１０（図８）を適用して得られる発電セル積層体１２は、積層方向（矢印Ａ方向）に積層された複数の発電セル１４を有する。また、発電セル積層体１２は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される燃料電池スタック１６を構成する。

燃料電池スタック１６は、発電セル積層体１２の積層方向の一端側（矢印Ａ１側）に、ターミナルプレート１８ａ、インシュレータ２０ａ及びエンドプレート２２ａが外方に向かってこの順に配設されている。また、発電セル積層体１２の積層方向の他端側（矢印Ａ２側）には、ターミナルプレート１８ｂ、インシュレータ２０ｂ及びエンドプレート２２ｂが外方に向かってこの順に配設されている。

エンドプレート２２ａ、２２ｂの各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２２ａ、２２ｂの内面にボルト（不図示）等を介して固定され、発電セル積層体１２に積層方向の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１６では、エンドプレート２２ａ、２２ｂを端板とする筐体を備え、該筐体内に発電セル積層体１２等を収容するように構成してもよい。

図３に示すように、発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２６と、該電解質膜・電極構造体２６を挟持する一組のセパレータ２８とを有する。各セパレータ２８は、積層した第１バイポーラプレート３０及び第２バイポーラプレート３２の外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合することで形成されている。第１バイポーラプレート３０及び第２バイポーラプレート３２の各々は、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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。

なお、セパレータ２８は、上記の第１バイポーラプレート３０及び第２バイポーラプレート３２を接合して構成されるものに限定されず、１枚の金属プレートや、１枚のカーボンプレート等から構成されてもよい。

電解質膜・電極構造体２６は、電解質膜３８と、電解質膜３８の一方の面（矢印Ａ２側の面）に設けられたアノード電極４０と、電解質膜３８の他方の面（矢印Ａ１側の面）に設けられたカソード電極４２とを有する。

電解質膜３８は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜等の固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）であり、アノード電極４０及びカソード電極４２に挟持される。なお、電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することもできる。

何れも不図示ではあるが、アノード電極４０は、電解質膜３８の一方の面に接合されるアノード電極触媒層と、該アノード電極触媒層に積層されるアノードガス拡散層とを有する。カソード電極４２は、電解質膜３８の他方の面に接合されるカソード電極触媒層と、該カソード電極触媒層に積層されるカソードガス拡散層とを有する。

アノード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。カソード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。

カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質シートから形成される。カソード電極触媒層とカソードガス拡散層との間、及びアノード電極触媒層とアノードガス拡散層との間の少なくとも一方に、多孔質層（不図示）を設けてもよい。

電解質膜・電極構造体２６の外周には、該電解質膜・電極構造体２６を周回する枠状の樹脂枠部材４３が接合されている。発電セル１４のうち、セパレータ２８及び樹脂枠部材４３の長辺方向の一端側（矢印Ｂ１側）の縁部には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、１つの酸化剤ガス入口連通孔４４ａと、２つの冷却媒体入口連通孔４６ａと、２つの燃料ガス出口連通孔４８ｂが設けられる。

発電セル１４のうち、セパレータ２８及び樹脂枠部材４３の長辺方向の他端側（矢印Ｂ２側）の縁部には、積層方向に互いに連通して、１つの燃料ガス入口連通孔４８ａと、２つの冷却媒体出口連通孔４６ｂと、２つの酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔４４ａには、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。冷却媒体入口連通孔４６ａは、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等の少なくとも何れかが冷却媒体として供給される。燃料ガス出口連通孔４８ｂからは、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが排出される。燃料ガス入口連通孔４８ａには、燃料ガスが供給される。冷却媒体出口連通孔４６ｂからは、冷却媒体が排出される。酸化剤ガス出口連通孔４４ｂからは、酸化剤ガスが排出される。

これらの酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体入口連通孔４６ａ、燃料ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔４８ａ、冷却媒体出口連通孔４６ｂ、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ（以下、これらを総称して「連通孔」ともいう）は、それぞれ、燃料電池スタック１６のターミナルプレート１８ａ、１８ｂ（図１）を除く構成を、積層方向に貫通している。

本実施形態では、連通孔は上下方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。具体的には、発電セル１４の長辺方向の一端側（矢印Ｂ１側）の縁部には、上下方向に互いに離間して配置された２つの燃料ガス出口連通孔４８ｂの間に、２つの冷却媒体入口連通孔４６ａが上下方向に互いに離間して配置される。これらの冷却媒体入口連通孔４６ａの間に酸化剤ガス入口連通孔４４ａが配置される。

発電セル１４の長辺方向の他端側（矢印Ｂ２側）の縁部には、上下方向に互いに離間して配置された２つの酸化剤ガス出口連通孔４４ｂの間に、２つの冷却媒体出口連通孔４６ｂが上下方向に離間して配置される。これらの冷却媒体出口連通孔４６ｂの間に燃料ガス入口連通孔４８ａが配置される。

なお、連通孔は、上記の配置に限定されず、要求される仕様に応じた配置となるように、適宜設定可能である。また、本実施形態では、燃料ガス出口連通孔４８ｂ、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、冷却媒体入口連通孔４６ａ、冷却媒体出口連通孔４６ｂのそれぞれを２個ずつ設けたが、それぞれを１個ずつ設けてもよい。

本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス入口連通孔４８ａのそれぞれは、例えば六角形状に形成されるが、これには限定されない。酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス入口連通孔４８ａのそれぞれは、六角形状以外の形状（例えば、四角形状等）に形成されてもよい。

また、各酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、各燃料ガス出口連通孔４８ｂ、各冷却媒体入口連通孔４６ａ及び各冷却媒体出口連通孔４６ｂのそれぞれは、例えば三角形状に形成されるが、これには限定されない。各酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、各燃料ガス出口連通孔４８ｂ、各冷却媒体入口連通孔４６ａ及び各冷却媒体出口連通孔４６ｂのそれぞれは、例えば、角部が丸く形成された三角形状、あるいは、角部が直線状に面取りされた三角形状（実質的に六角形状）であってもよい。

セパレータ２８として燃料電池スタック１６に組み込まれた第１バイポーラプレート３０及び第２バイポーラプレート３２のそれぞれは、電解質膜・電極構造体２６に向かう面であるＭＥＡ側面５０ａ、５０ｂと、その裏面である冷媒側面５２ａ、５２ｂとを有する。

図４に示すように、第１バイポーラプレート３０のＭＥＡ側面５０ａには、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の突条部５４ａが設けられている。これらの突条部５４ａ同士の間の溝内に直線状の酸化剤ガス流路５６が設けられている。なお、突条部５４ａ及び酸化剤ガス流路５６は波状であってもよい。酸化剤ガス流路５６は、１つの酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに流体的に連通することで、セパレータ２８の面方向（矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）に酸化剤ガスを流通させる。

第１バイポーラプレート３０のＭＥＡ側面５０ａには、例えば、プレス成形により、複数のメタルビードシール６２ａが電解質膜・電極構造体２６（図３）に向かって一体に膨出成形される。メタルビードシール６２ａに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。

複数のメタルビードシール６２ａは、外側ビード部６４ａと、内側ビード部６６ａと、複数の連通孔ビード部６８ａとを有する。外側ビード部６４ａは、ＭＥＡ側面５０ａの外周縁部を周回する。内側ビード部６６ａは、酸化剤ガス流路５６、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔４４ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６８ａは、燃料ガス入口連通孔４８ａ、各燃料ガス出口連通孔４８ｂ、各冷却媒体入口連通孔４６ａ及び各冷却媒体出口連通孔４６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６４ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２及び図３に示すように、第２バイポーラプレート３２のＭＥＡ側面５０ｂには、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の突条部５４ｂが設けられている。これらの突条部５４ｂ同士の間の溝内に直線状の燃料ガス流路７０が設けられている。なお、突条部５４ｂ及び燃料ガス流路７０は波状であってもよい。燃料ガス流路７０は、１つの燃料ガス入口連通孔４８ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔４８ｂに流体的に連通することで、セパレータ２８の面方向（矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）に燃料ガスを流通させる。

第２バイポーラプレート３２のＭＥＡ側面５０ｂには、例えば、プレス成形により、複数のメタルビードシール６２ｂが、電解質膜・電極構造体２６（図３）に向かって膨出成形される。当該メタルビードシール６２ｂに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシール６２ｂは、外側ビード部６４ｂと、内側ビード部６６ｂと、複数の連通孔ビード部６８ｂとを有する。外側ビード部６４ｂは、ＭＥＡ側面５０ｂの外周縁部を周回する。内側ビード部６６ｂは、外側ビード部６４ｂよりも内側で、燃料ガス流路７０、燃料ガス入口連通孔４８ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔４８ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６８ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、各酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、各冷却媒体入口連通孔４６ａ及び各冷却媒体出口連通孔４６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６４ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図３に示すように、互いに接合される第１バイポーラプレート３０の冷媒側面５２ａと第２バイポーラプレート３２の冷媒側面５２ｂとの間には、冷却媒体をセパレータ２８の面方向（矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）に流通させる冷却媒体流路７２が設けられる。冷却媒体流路７２は、２つの冷却媒体入口連通孔４６ａと２つの冷却媒体出口連通孔４６ｂとに流体的に連通する。

冷却媒体流路７２は、酸化剤ガス流路５６が形成された第１バイポーラプレート３０のＭＥＡ側面５０ａの裏面形状と、燃料ガス流路７０が形成された第２バイポーラプレート３２のＭＥＡ側面５０ｂの裏面形状とが重なり合って形成される。また、互いに対向する第１バイポーラプレート３０及び第２バイポーラプレート３２の冷媒側面５２ａ、５２ｂにおいて、連通孔の周囲同士は、溶接、ろう付け等によって接合されている。

図５～図８を主に参照しつつ、本実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０（以下、単に、製造装置１０ともいう）について説明する。以下では、製造装置１０が、１枚のセパレータ２８と、１枚の電解質膜・電極構造体２６とを重ね合わせて接合した積層単位Ｅ（図２）を複数積層して、発電セル積層体１２（図１）を得る場合に適用される例について説明する。なお、図５では、積層単位Ｅについて、連通孔や燃料ガス流路７０等の図示を省略して概略的に示している。

しかしながら、積層単位Ｅは、１枚のセパレータ２８と、１枚の電解質膜・電極構造体２６とを重ね合わせて接合したものには限定されない。積層単位Ｅは、複数積層することで、最終的に発電セル積層体１２を形成可能なものであればよい。

図２に示すように、各積層単位Ｅには、位置決め部７４が予め設けられている。複数の積層単位Ｅを積層する際、各積層単位Ｅの位置決め部７４が上下方向に重ね合わせられることで、積層単位Ｅ同士が正確に位置決めされる。

本実施形態では、位置決め部７４は、積層単位Ｅを積層方向に貫通する挿通孔であり、挿通孔の積層方向視の形状は円形であることとする。このような挿通孔に代えて、位置決め部７４は、例えば、積層単位Ｅの縁部を外側から内側に切り欠いた形状の挿通溝（不図示）であってもよい。

また、本実施形態では、位置決め部７４は、積層単位Ｅの四隅にそれぞれ配置されることとする。すなわち、各積層単位Ｅには、合計４個の位置決め部７４が設けられることとする。しかしながら、積層単位Ｅに対して位置決め部７４が設けられる配置や個数は、上記に限定されるものではなく、例えば、セパレータ２８や、電解質膜・電極構造体２６、樹脂枠部材４３の形状等に応じて種々に設定することができる。なお、位置決め部７４は、メタルビードシール６２ａ、６２ｂを避けて配置されることが好ましい。

図５及び図６に示すように、製造装置１０は、載置台７６と、柱部材７８と、振動付与部８０と、台支持部８２と、フローティング支持部８４と、弾性部材８６とを備える。載置台７６は、積層単位Ｅが上下方向（矢印Ａａ方向）に積層される載置面８８を有する。すなわち、積層単位Ｅの積層方向は、製造装置１０との関係においては上下方向となる。載置台７６は、所定の厚みの板状であり、その上面に載置面８８が設けられている。本実施形態では、上下方向視における載置面８８の外形寸法は、積層方向視における積層単位Ｅの外形寸法よりも大きい四角形状となっているが、特にこれには限定されない。

柱部材７８は、載置台７６を上下方向に貫通する棒状である。具体的には、図６に示すように、柱部材７８は、載置台７６に上下方向に沿って設けられた貫通孔７６ａに挿通されている。図５に示すように、載置台７６に対して柱部材７８は、載置面８８に載置される積層単位Ｅの位置決め部７４に対応する箇所に設けられる。本実施形態では、上記の通り、積層単位Ｅの四隅に設けられた４個の位置決め部７４に応じて、４本の柱部材７８が、載置面８８の四隅に設けられている。

各柱部材７８の載置面８８から上方に突出する部分は、積層ガイド部９０を構成する。すなわち、積層ガイド部９０は、載置面８８から上方に突出する棒状である。また、積層ガイド部９０は、載置面８８に積層単位Ｅを載置する際、該積層単位Ｅの位置決め部７４に挿通することが可能な円柱状である。積層ガイド部９０の上端側には、縮径部９２が設けられている。縮径部９２は、上方に向かって縮径するテーパ状である。

積層ガイド部９０の縮径部９２の径は、位置決め部７４の径よりも小さく設定され、積層ガイド部９０の縮径部９２よりも下側の径は、位置決め部７４の径よりも僅かに小さくなるように設定されている。このため、図７及び図８に示すように、各積層ガイド部９０を各位置決め部７４に挿通することで、積層ガイド部９０に位置決め部７４を沿わせつつ、載置面８８に向かって複数の積層単位Ｅをそれぞれ落下させることができる。これによって、載置面８８上には、複数の積層単位Ｅが互いに位置決めされた状態で積層される。

図６に示すように、各柱部材７８の積層ガイド部９０よりも下側は、載置面８８の裏面９４から下方に突出する。また、各柱部材７８の下端側は、振動付与部８０に接続される。本実施形態では、各柱部材７８の下端側は、振動付与部８０に着脱自在に取り付けられている。また、各柱部材７８は、貫通孔７６ａを介して載置台７６に対しても着脱自在となっている。

すなわち、例えば、柱部材７８の下端側を、載置台７６の貫通孔７６ａに挿通して振動付与部８０に取り付ける。これにより、積層ガイド部９０が載置面８８から上方に突出するように柱部材７８を製造装置１０に装着することができる。また、例えば、振動付与部８０から取り外した柱部材７８の下端側を載置台７６の貫通孔７６ａから引き抜く。これにより、柱部材７８（積層ガイド部９０）を製造装置１０から取り外すことができる。

振動付与部８０は、該振動付与部８０に取り付けられた柱部材７８の下端側を介して積層ガイド部９０に上下方向の振動を付与する。振動付与部８０は、例えば、積層ガイド部９０に機械的振動を付与するバイブレータである。振動付与部８０は、例えば、不図示の制御部等による制御下に、積層ガイド部９０に付与する振動の振幅及び振動数の少なくとも何れか（以下、単に「振動の大きさ」ともいう）を変化させることが可能となっている。また、振動付与部８０には、その下端から下方に向かって、上下方向に沿って延在する振動ガイド部９６が設けられている。

台支持部８２は、柱部材７８の近傍において、載置台７６の裏面９４から下方に突出することで、載置台７６を床面Ｇ等から離間した状態で支持する。すなわち、本実施形態では、載置台７６は、その裏面９４の四隅に配置された、合計４個の台支持部８２によって支持されている。この台支持部８２は、柱部材７８の下端側及び振動付与部８０等を内側に取り囲む略角筒状であることとするが、特にこれには限定されない。台支持部８２は、載置台７６を支持可能な種々の形状とすることができる。台支持部８２の上端側は、載置台７６の裏面９４側に設けられた溝部９８に嵌合されている。台支持部８２の下端側には、床面Ｇに沿う幅広部１００が設けられている。

台支持部８２の幅広部１００と載置台７６の裏面９４との間には、フローティング支持部８４が設けられている。本実施形態では、フローティング支持部８４は、中空形状の本体部１０２と、該本体部１０２の下端側に設けられ裏面９４と平行に延在する底部１０４とを有する。本体部１０２の内側に台支持部８２が嵌入されることで、台支持部８２が補強されている。

底部１０４は、振動付与部８０よりも下側に配置されて、該振動付与部８０と間隔を置いて対向する部分を有する。この底部１０４と振動付与部８０との間には弾性部材８６が配置され、これによって、フローティング支持部８４は、弾性部材８６を介して振動付与部８０をフローティング支持する。

具体的には、底部１０４には、振動ガイド孔１０６が上下方向に貫通形成されている。本実施形態では、弾性部材８６は、コイルばねであり、その伸縮方向が上下方向に沿う。弾性部材８６の下端部は、底部１０４の振動ガイド孔１０６の周辺部に設けられた受容溝１０８に挿入されている。このため、弾性部材８６は、底部１０４の振動ガイド孔１０６の周辺部と振動付与部８０との間で、上下方向に弾性変形可能となっている。

また、弾性部材８６の内径側及び振動ガイド孔１０６には、振動ガイド部９６が挿通されている。振動ガイド孔１０６の径が振動ガイド部９６の径よりも僅かに大きく設定されることで、振動ガイド部９６は、振動ガイド孔１０６の内部を上下方向に沿って移動可能となっている。また、振動ガイド孔１０６から下方に突出する振動ガイド部９６の下端には、振動ガイド孔１０６よりも大径のストッパ１１０が設けられている。

上記のようにして、振動付与部８０がフローティング支持されることで、振動付与部８０は、上下方向の振動を積層ガイド部９０に良好に付与することが可能になる。なお、振動付与部８０が積層ガイド部９０に付与する振動には、上下方向以外の方向の振動が含まれていてもよい。

製造装置１０は、基本的には上記のように構成される。以下、本実施形態に係る発電セル積層体１２の製造方法について、図５～図８の製造装置１０を用いて、図２の積層単位Ｅを複数積層することで、図１の発電セル積層体１２を得る場合を例に挙げて説明する。

この発電セル積層体１２の製造方法では、先ず、用意工程を行う。上記の通り、製造装置１０では、柱部材７８が振動付与部８０及び載置台７６に対して着脱自在となっている。このため、用意工程では、柱部材７８の下端側を載置台７６の貫通孔７６ａに挿通し、且つ振動付与部８０に取り付ける。これにより、振動可能な積層ガイド部９０が載置面８８から上方に突出して設けられた載置台７６（図５及び図６）を用意することができる。また、用意工程では、積層ガイド部９０にガイドされる位置決め部７４が設けられた積層単位Ｅ（図２）をさらに用意する。

次に、載置工程を行う。載置工程では、振動付与部８０により積層ガイド部９０に上下方向に振動を付与する。このようにして振動させた積層ガイド部９０に、図５及び図７に示すように、積層単位Ｅの位置決め部７４を挿通する。上記の通り、積層ガイド部９０の上端部には縮径部９２が設けられているため、該縮径部９２を介して積層ガイド部９０を位置決め部７４に容易に挿通することができる。

そして、積層ガイド部９０の外周面に位置決め部７４の内周面を沿わせつつ、載置台７６に向かって積層単位Ｅを落下させることで、載置台７６上に積層単位Ｅを載置する。この際、上記の通り積層ガイド部９０に振動が付与されていることにより、積層ガイド部９０の外周面と位置決め部７４の内周面との間に生じる摩擦力を動摩擦力とすることができる。

なお、載置工程において、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさは、積層ガイド部９０の外周面と位置決め部７４の内周面とのクリアランスや、積層単位Ｅの寸法や重量等に応じて設定することができる。例えば、積層ガイド部９０の外周面と位置決め部７４の内周面とは、互いのクリアランスが小さいほど接触し易くなるため、該クリアランスが小さいほど、積層ガイド部９０に付与する振動を大きくしてもよい。

この載置工程を繰り返すことで、複数の積層単位Ｅを載置台７６上に載置する。この際、載置台７６に載置された積層単位Ｅの数に応じて積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを変化させる。例えば、図８に示すように、積層ガイド部９０に位置決め部７４が挿通された積層単位Ｅの個数が多くなるほど、振動付与部８０により積層ガイド部９０の下端側から付与される振動は、積層ガイド部９０の上部に伝わり難くなる傾向になる。

そこで、例えば、載置台７６に載置された積層単位Ｅの個数が所定値を超えた場合に、振動付与部８０により積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを大きくする。これによって、載置台７６に載置された積層単位Ｅの数によらずに、積層ガイド部９０を、その上端側まで良好に振動させた状態で維持することができる。

なお、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを変化させるタイミングは、上記のように載置台７６に載置された積層単位Ｅの個数が所定値を超えた場合には限定されない。例えば、載置台７６に載置された積層単位Ｅの個数が増えるごとに、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを連続的に大きくしてもよい。

また、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを変化させるタイミングは、載置台７６に積層された積層単位Ｅの個数をカウントすることにより決定してもよい。上記のタイミングは、載置台７６上の積層単位Ｅの重量を測定することにより決定してもよい。上記のタイミングは、載置台７６上の積層単位Ｅの上下方向の高さに応じて決定してもよい。上記のタイミングは、載置台７６上に積層単位Ｅの載置を開始してからの経過時間に応じて決定してもよい。

上記のようにして載置台７６上に積層された積層単位Ｅの個数が、発電セル積層体１２を構成するために必要な全個数に達するまで載置工程を行う。これによって、載置台７６上に所定の個数の積層単位Ｅが互いに位置決めされた状態で積層される。なお、載置工程では、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを変化させることなく、載置台７６に全積層単位Ｅを載置してもよい。この場合、例えば、載置台７６に全積層単位Ｅを載置し終えるまで、積層ガイド部９０の全体を良好に振動させた状態で維持できるように、積層ガイド部９０に付与する振動の大きさを予め設定しておいてもよい。

次に、取り外し工程を行う。載置工程において載置台７６上に積層された複数の積層単位Ｅは、各積層単位Ｅの位置決め部７４に積層ガイド部９０が挿通された状態である。図９に示すように、取り外し工程では、位置決め部７４に積層ガイド部９０が挿通された状態の上記の複数の積層単位Ｅを、積層ガイド部９０（柱部材７８）とともに載置台７６上から取り外す。

取り外し工程の後、例えば、積層ガイド部９０の、上記の複数の積層単位Ｅの積層方向両端から突出する部分等を必要に応じて除去すること等によって、発電セル積層体１２が得られる。すなわち、本実施形態では、積層ガイド部９０は、発電セル積層体１２において、複数の積層単位Ｅを上記のように互いに位置決めして積層した状態で支持する支持部材としての機能も有する。なお、図２～図４では、積層ガイド部９０の図示を省略している。

この発電セル積層体１２を備える燃料電池スタック１６の動作について、以下簡単に説明する。図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１６で発電を行う場合、燃料ガス入口連通孔４８ａに燃料ガスが供給され、酸化剤ガス入口連通孔４４ａに酸化剤ガスが供給され、冷却媒体入口連通孔４６ａに冷却媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから酸化剤ガス流路５６に導入され、該酸化剤ガス流路５６に沿って矢印Ｂ方向に移動しつつ、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極４２に供給される。一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔４８ａから燃料ガス流路７０に導入され、該燃料ガス流路７０に沿って矢印Ｂ方向に移動しつつ、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極４０に供給される。

従って、図３に示すように、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層及びアノード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。

電気化学反応で消費されなかった酸化剤ガス（酸化剤排ガス）は、酸化剤ガス流路５６から酸化剤ガス出口連通孔４４ｂへと流入し、該酸化剤ガス出口連通孔４４ｂを矢印Ａ方向に流れて燃料電池スタック１６から排出される。同様に、電気化学反応で消費されなかった燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料ガス流路７０から燃料ガス出口連通孔４８ｂへと流入し、燃料ガス出口連通孔４８ｂを矢印Ａ方向に流れて燃料電池スタック１６から排出される。

冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４６ａから冷却媒体流路７２に導入され、該冷却媒体流路７２に沿って矢印Ｂ方向に移動しつつ、電解質膜・電極構造体２６と熱交換する。熱交換後の冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔４６ｂに流入し、冷却媒体出口連通孔４６ｂを矢印Ａ方向に流れて燃料電池スタック１６から排出される。

以上から、本実施形態に係る発電セル積層体１２の製造方法及び製造装置１０では、積層ガイド部９０に積層単位Ｅの位置決め部７４を沿わせつつ、載置台７６に向かって積層単位Ｅを落下させることで、載置台７６上に積層単位Ｅを載置する。この際、積層ガイド部９０を上下方向に振動させる。これによって、積層ガイド部９０と位置決め部７４との間に生じる摩擦力を、静止摩擦力よりも小さい動摩擦力とすることができる。つまり、積層ガイド部９０と位置決め部７４との間に生じる摩擦力が大きくなることを抑制できる。

その結果、積層ガイド部９０と、積層単位Ｅの位置決め部７４とのクリアランスを大きくすることなく、積層ガイド部９０に沿って積層単位Ｅを円滑に落下させることができる。このため、載置台７６上に複数の積層単位Ｅを高精度に位置決めしつつ効率的に積層することが可能になる。

また、製造装置１０では、例えば、積層ガイド部９０や位置決め部７４に摩擦低減用のコーティング等を設けない場合であっても、積層ガイド部９０に沿って積層単位Ｅを円滑に落下させることができる。なお、摩擦低減用のコーティングの一例としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂被膜が挙げられる。このように摩擦低減用のコーティング等を不要とすることもできる分、発電セル積層体１２の製造に要するコストの増加を抑制することも可能になる。

従って、積層単位Ｅ同士のずれが可及的に抑制された発電セル積層体１２を効率的に、しかも低コストで得ることができる。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造方法では、積層ガイド部９０は、載置台７６から上方に突出する棒状であり、位置決め部７４は、積層ガイド部９０が挿通される挿通孔又は挿通溝であり、載置工程では、振動させた積層ガイド部９０を位置決め部７４に挿通しつつ、積層単位Ｅを落下させて載置台７６上に載置することとした。また、上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０では、積層ガイド部９０は、積層単位Ｅに設けられた挿通孔又は挿通溝である位置決め部７４に挿通可能な棒状であることとした。

これらの場合、積層ガイド部９０を棒状とし、位置決め部７４を挿通孔又は挿通溝とする簡単な構成により、複数の積層単位Ｅを高精度に位置決めしつつ容易に積層することが可能になる。

なお、不図示ではあるが、積層ガイド部９０は、載置台７６から上方に突出する板状であってもよい。また、この場合、積層ガイド部９０の側面と、積層単位Ｅの側面である位置決め部７４とを沿わせつつ（摺動させつつ）、載置台７６に向かって積層単位Ｅを落下させることで、載置台７６上に積層単位Ｅを載置することとしてもよい。板状の積層ガイド部９０の配置や上下方向視の形状は特に限定されるものではない。例えば、上下方向視において、板状の積層ガイド部９０は、積層単位Ｅの外周を一体に取り囲む枠形状であってもよいし、積層単位Ｅの四隅の角部のみを囲む折れ曲がり形状であってもよい。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造方法では、載置工程で複数の積層単位Ｅを載置台７６上に積層した後、位置決め部７４に積層ガイド部９０が挿通された状態の複数の積層単位Ｅを、積層ガイド部９０とともに載置台７６上から取り外す取り外し工程を有することとした。

また、上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０では、積層ガイド部９０は、載置台７６上に積層された複数の積層単位Ｅの位置決め部７４に挿通された状態で、複数の積層単位Ｅとともに載置台７６上から取り外し可能であることとした。

これらの場合、積層ガイド部９０が支持部材として機能することにより、複数の積層単位Ｅを、上記のように高精度に位置決めした状態で維持しつつ容易に取り扱うことができる。

しかしながら、取り外し工程では、載置台７６上に積層された複数の積層単位Ｅのみを載置台７６上から取り外してもよい。すなわち、載置台７６に対して積層ガイド部９０を固定したまま、該載置台７６及び積層ガイド部９０から複数の積層単位Ｅを取り外してもよい。この場合、製造装置１０では、柱部材７８（積層ガイド部９０）が振動付与部８０及び載置台７６に対して着脱自在ではなく、常に固定された状態で設けられていてもよい。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造方法の載置工程では、載置台７６に載置された積層単位Ｅの数に応じて積層ガイド部９０に付与する振動の振動数及び振幅の少なくとも何れかを変化させることとした。また、上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０では、振動付与部８０は、載置台７６に載置された積層単位Ｅの数に応じて積層ガイド部９０に付与する振動の振動数及び振幅の少なくとも何れかを変化させることとした。

これらの場合、上記の通り、載置台７６に載置された積層単位Ｅの数によらずに、積層ガイド部９０の上端側まで良好に振動させた状態を維持することができる。これにより、積層ガイド部９０と位置決め部７４との間に生じる摩擦力を動摩擦力に維持することができる。ひいては、複数の積層単位Ｅを互いに高精度に位置決めした状態で効率的に積層して発電セル積層体１２を得ることが可能になる。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０では、積層ガイド部９０は、載置台７６を上下方向に貫通する柱部材７８の上側部分であり、柱部材７８の下端側は、載置台７６の載置面８８の裏面９４から下方に突出して振動付与部８０に接続されることとした。この場合、簡単な構成により振動付与部８０から積層ガイド部９０に振動を付与することができる。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０の載置台７６には、柱部材７８の近傍に、載置台７６を支持する台支持部８２が裏面９４から下方に突出して設けられ、台支持部８２には、弾性部材８６を介して振動付与部８０をフローティング支持するフローティング支持部８４が設けられていることとした。この場合、振動付与部８０から積層ガイド部９０へと効率的に振動を付与することが可能になる。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０のフローティング支持部８４には、振動ガイド孔１０６が上下方向に沿って貫通形成され、振動ガイド孔１０６は、振動付与部８０の下方に配置され、振動付与部８０には、上下方向に移動可能に振動ガイド孔１０６に挿通される振動ガイド部９６が設けられ、弾性部材８６は、フローティング支持部８４の振動ガイド孔１０６の周辺部と振動付与部８０との間に上下方向に弾性変形可能に配設されることとした。この場合、振動付与部８０から積層ガイド部９０へと上下方向の振動を良好に付与することが可能になる。

上記の実施形態に係る発電セル積層体１２の製造装置１０では、弾性部材８６は、コイルばねであり、振動ガイド部９６は、弾性部材８６の内径側に挿通され、フローティング支持部８４の振動ガイド孔１０６の周辺部には、弾性部材８６の下端部が挿入される受容溝１０８が設けられることとした。この場合、コイルばねである弾性部材８６の下端部を受容溝１０８に挿入する簡単な構成により、振動付与部８０をフローティング支持することが可能になる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…製造装置 １２…発電セル積層体
１４…発電セル １６…燃料電池スタック
２６…電解質膜・電極構造体 ２８…セパレータ
３８…電解質膜 ４０…アノード電極
４２…カソード電極 ７４…位置決め部
７６…載置台 ７８…柱部材
８０…振動付与部 ８２…台支持部
８４…フローティング支持部 ８６…弾性部材
８８…載置面 ９０…積層ガイド部
９２…縮径部 ９４…裏面
９６…振動ガイド部 １０６…振動ガイド孔
１０８…受容溝 Ｅ…積層単位

Claims (12)

1. 電解質膜の両側に電極が配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを重ね合わせた積層単位を載置台上に複数積層して発電セル積層体を得る発電セル積層体の製造方法であって、
   振動可能な積層ガイド部が上方に突出して設けられた前記載置台と、前記積層ガイド部にガイドされる位置決め部が設けられた前記積層単位とを用意する用意工程と、
   上下方向に振動させた前記積層ガイド部に前記位置決め部を沿わせつつ、前記載置台に向かって前記積層単位を落下させることで、前記載置台上に前記積層単位を載置する載置工程と、
   を有する、発電セル積層体の製造方法。
2. 請求項１記載の発電セル積層体の製造方法において、
   前記積層ガイド部は、前記載置台から上方に突出する棒状であり、
   前記位置決め部は、前記積層ガイド部が挿通される挿通孔又は挿通溝であり、
   前記載置工程では、振動させた前記積層ガイド部を前記位置決め部に挿通しつつ、前記積層単位を落下させて前記載置台上に載置する、発電セル積層体の製造方法。
3. 請求項２記載の発電セル積層体の製造方法において、
   前記載置工程で複数の前記積層単位を前記載置台上に積層した後、前記位置決め部に前記積層ガイド部が挿通された状態の複数の前記積層単位を、前記積層ガイド部とともに前記載置台上から取り外す取り外し工程を有する、発電セル積層体の製造方法。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の発電セル積層体の製造方法において、
   前記載置工程では、前記載置台に載置された前記積層単位の数に応じて前記積層ガイド部に付与する振動の振動数及び振幅の少なくとも何れかを変化させる、発電セル積層体の製造方法。
5. 電解質膜の両側に電極が配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを重ね合わせた積層単位を複数積層して得られる発電セル積層体の製造装置であって、
   前記積層単位が載置される載置面を有する載置台と、
   前記載置面から上方に突出する積層ガイド部と、
   前記積層ガイド部に上下方向に振動を付与する振動付与部と、
   を備え、
   前記振動付与部により振動が付与された前記積層ガイド部に、前記積層単位に設けられた位置決め部を沿わせつつ、前記載置面に向かって前記積層単位を落下させることで、前記載置台上に前記積層単位が載置される、発電セル積層体の製造装置。
6. 請求項５記載の発電セル積層体の製造装置において、
   前記積層ガイド部は、前記積層単位に設けられた挿通孔又は挿通溝である前記位置決め部に挿通可能な棒状である、発電セル積層体の製造装置。
7. 請求項６記載の発電セル積層体の製造装置において、
   前記積層ガイド部は、前記載置台上に積層された複数の前記積層単位の前記位置決め部に挿通された状態で、複数の前記積層単位とともに前記載置台上から取り外し可能である、発電セル積層体の製造装置。
8. 請求項６又は７記載の発電セル積層体の製造装置において、
   前記積層ガイド部は、前記載置台を上下方向に貫通する柱部材の上側部分であり、
   前記柱部材の下端側は、前記載置台の前記載置面の裏面から下方に突出して前記振動付与部に接続される、発電セル積層体の製造装置。
9. 請求項８記載の発電セル積層体の製造装置において、
   前記載置台には、前記柱部材の近傍に、前記載置台を支持する台支持部が前記裏面から下方に突出して設けられ、
   前記台支持部には、弾性部材を介して前記振動付与部をフローティング支持するフローティング支持部が設けられている、発電セル積層体の製造装置。
10. 請求項９記載の発電セル積層体の製造装置において、
    前記フローティング支持部には、振動ガイド孔が上下方向に沿って貫通形成され、
    前記振動ガイド孔は、前記振動付与部の下方に配置され、
    前記振動付与部には、上下方向に移動可能に前記振動ガイド孔に挿通される振動ガイド部が設けられ、
    前記弾性部材は、前記フローティング支持部の前記振動ガイド孔の周辺部と前記振動付与部との間に上下方向に弾性変形可能に配設される、発電セル積層体の製造装置。
11. 請求項１０記載の発電セル積層体の製造装置において、
    前記弾性部材は、コイルばねであり、
    前記振動ガイド部は、前記弾性部材の内径側に挿通され、
    前記フローティング支持部の前記振動ガイド孔の周辺部には、前記弾性部材の下端部が挿入される受容溝が設けられる、発電セル積層体の製造装置。
12. 請求項５～１１の何れか１項に記載の発電セル積層体の製造装置において、
    前記振動付与部は、前記載置台に載置された前記積層単位の数に応じて前記積層ガイド部に付与する振動の振動数及び振幅の少なくとも何れかを変化させる、発電セル積層体の製造装置。

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