JP2023521089A - 燃料電池スタックの製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池スタックまたは前記燃料電池スタックの１以上の単位燃料電池（１）の製造装置であって、少なくとも膜電極アセンブリ（２）およびバイポーラプレート（４）を互いに対して予め規定された配向に配置させるための事前配置部位を含み、前記バイポーラプレート（４）が１以上の開口（１２）および／または１以上の特定の輪郭を有し、かつ前記膜電極アセンブリ（２）が、前記バイポーラプレート（４）の１以上の開口を覆い、かつ／または１以上の領域において、前記バイポーラプレート（４）の上に延在するように、前記膜電極アセンブリ（２）と前記バイポーラプレート（４）とが互いに対して配向され、前記製造装置が、前記膜電極アセンブリ（２）が、前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の開口に類似する切断開口（１２）および／または前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の輪郭に類似する１以上の切断輪郭（１０）および／または燃料電池スタックの前記単位燃料電池（１）を位置合わせするための１以上の切断位置合わせ構造（１０）を有するように、予め定められた領域で、前記膜電極アセンブリ（２）を切断するようになっている切断装置（６）を有する１以上の切断部位をさらに含む製造装置、及びその製造装置に対応する製造方法に関する。【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造装置および製造方法、同装置および／または同方法により製造された単位燃料電池および燃料電池スタック関する。

燃料電池スタックは、通常２枚の単極板の間に複数の膜電極アセンブリが配置され、それらが双極で分離される。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）自体は、少なくともカソード、アノード、およびその間の膜からなり、水素と酸素を反応させて電気エネルギーと水を生成するものである。反応物（水素と酸素）をそれぞれの電極に供給するために、膜電極アセンブリの両側に配置されたバイポーラプレートには、反応物の流体流れをそれぞれの電極に導く流体流れ場がある。

単一の膜電極アセンブリでの反応で発生する電圧では、通常、ほとんどの用途の動作には不十分なため、複数の膜電極アセンブリとバイポーラプレートとを積み重ねて電気的に直列接続して、所望の電圧を達成する。電流は、燃料電池スタックから集められ、負荷を駆動するために使用される。燃料電池スタックを製造するための様々なやりかたが知られている。例えば、特許文献１では、バイポーラプレートと膜電極アセンブリがエンドレステープとして設計されており、これらは互いに対して配置される。燃料電池スタックを提供するために、前記エンドレステープは単位燃料電池を形成する長さに切断され、単位燃料電池は積み重ねられる。

燃料電池スタックの効率は、膜電極アセンブリの表面を横切る反応物の流れおよび燃料電池スタックの個々の燃料電池内の様々な接触および封止界面の完全性に依存する。このような接触・封止界面には、スタックの単位燃料電池内およびそれぞれの単位燃料電池間の燃料、冷却剤、および廃液の輸送に関連するものが含まれる。したがって、燃料電池スタック内の燃料電池部品とアセンブリの適切な位置合わせ（アラインメント）は、燃料電池システムの効率的な動作を確実にするために重要である。

さらに、スタック自体では、短絡を避けるために、隣接するバイポーラプレートが互いに確実に電気的に絶縁されている必要がある。そのために、通常は膜電極アセンブリまたは膜電極アセンブリの部品を使用する。しかし、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの位置がずれている場合、バイポーラプレートの一部が露出し、隣接するバイポーラプレートの露出部分が互いに接触する可能性があるため、短絡のリスクが高くなる。したがって、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの正確な位置合わせは、燃料電池スタックの適切な動作を確実にするために非常に重要である。

位置合わせと積み重ねには、通常、１以上のガイド要素を有する位置合わせフレームワークなどの位置合わせツールが使用され、積み重ねプロセス中の膜電極アセンブリとバイポーラプレートの所定の配置が確実に行われる。所望の量の膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートを積み重ねた後、得られた燃料電池スタックを、圧縮し、例えばねじ止めまたはその他の方法で接合して、燃料電池スタックを所望の用途で使用することができるようにする。

従来、膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートの適切な位置合わせを確実にするために、位置合わせフレームワークのガイド要素が挿入または組み込まれ得る凹部のような位置合わせ特徴部を有する膜電極アセンブリおよび／またはバイポーラプレートを提供することが、当該分野において提案されている。

公知の位置合わせの欠点は、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの両方がそれぞれの位置合わせ特徴部を備えなければならず、これは非常にコストがかかり、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの製造において許容される公差が非常に狭いことである。さらに、積み重ねステップには非常に時間がかかり、バイポーラプレートまたは膜電極アセンブリが１つでも適切に位置合わせされていない場合には、スタック全部を却下せざるを得ない。

中国特許出願公開第１０６８７６７５６号明細書

したがって、本発明の目的は、燃料電池スタックの高速、高信頼度でかつ費用対効果の高い積み重ねを可能にする、燃料電池スタックを製造する装置および方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の製造装置および請求項１１に記載の製造方法によって解決される。

本発明の基本的な考え方は、膜電極アセンブリとバイポーラプレートとを相互に対して配置または配向させた後に、膜電極アセンブリおよび／または膜電極アセンブリにおける位置合わせ構造の開口および／または形状を切断することによって、膜電極アセンブリとバイポーラプレートとの位置合わせを改善することである。それにより、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの位置合わせの不良によって生じる短絡等の問題が回避され得る。

以下では、積み重ねられた複数の単位燃料電池を有する燃料電池スタックまたは燃料電池スタックの１以上の単位燃料電池を製造する製造装置を開示し、同単位燃料電池は、１以上のバイポーラプレートおよび膜電極アセンブリを含む。

一般に、膜電極アセンブリは、通常、電極および膜を有する活性領域（３層膜電極アセンブリ）、および活性領域を包含するいわゆるサブガスケットを有し、それにより５層膜電極アセンブリを形成する。さらに、バイポーラプレートと膜電極アセンブリと間にガス拡散層を配置してもよく、同ガス拡散層は膜電極アセンブリ自体に取り付けて７層膜電極アセンブリを形成してもよいし、バイポーラプレートに取り付けてもよい。正確な配置または層構造にかかわらず、すべての種類の膜電極アセンブリは、本出願においては「膜電極アセンブリ」という表現で扱うこととする。

バイポーラプレートは、概ね３つの主要な領域、すなわち、膜電極アセンブリのそれぞれの電極に反応物を分配するための流れ場を有する活性領域、流れ場に反応物を分配するための分配領域、および燃料電池スタックの主要供給路から分配領域に反応物を供給するための供給領域を含む。さらに、この文脈におけるバイポーラプレートとは、カソードプレートおよび／またはアノードプレートのいずれか、または接合されたアノードプレートおよびカソードプレートの両方を含むバイポーラプレートアセンブリでもよい点に留意されたい。

提案された製造装置は、複数の部位、例えば、事前配置部位と切断部位とをさらに含む。事前配置部位では、１以上の膜電極アセンブリと１以上のバイポーラプレートとが互いに対して予め規定された配向で配置され、１以上のバイポーラプレートは、１以上の開口および／または１以上の特定の輪郭を有する。さらに、膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートは、膜電極アセンブリがバイポーラプレートの１以上の開口を覆うように、および／または１以上の領域でバイポーラプレート上に延在するように配向される。

燃料電池の高速かつ高精度の製造とその後の積み重ねを可能にする単位燃料電池を提供するために、製造装置は、膜電極アセンブリを切断するための切断装置を有する切断部位をさらに含む。バイポーラプレートと膜電極アセンブリが互いに対して配向された後に膜電極アセンブリを切断することによって、膜電極アセンブリが確実にバイポーラプレートをすべての場所で覆い、それにより短絡の危険性が回避される。

切断装置は、予め定められた領域で膜電極アセンブリを切断するようになっている切断要素をさらに含み、それにより膜電極アセンブリが、バイポーラプレートの開口に類似する切断開口および／またはバイポーラプレートの輪郭に類似する１以上の切断輪郭および／または単位燃料電池を位置合わせするための１以上の切断位置合わせ構造を有する。

従って、本発明の基本的な考え方は、膜電極アセンブリとバイポーラプレートとを互いに対して配向した後に、膜電極アセンブリの開口および／または形状および／または位置合わせ構造を切断することによって、膜電極アセンブリとバイポーラプレートとの位置合わせを改善することである。それにより、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの位置合わせの不良によって生じる短絡等の問題が回避され得る。

好ましくは、膜電極アセンブリのうちバイポーラプレートの輪郭および／または開口上に延在する部分は、サブガスケットおよび／またはガス拡散層であり、これらは、プラスチックおよび／またはカーボン紙等の容易に切断できる（単数または複数の）材料からできている。したがって、切断要素か、サブガスケットおよび／またはガス拡散層の材料を切断するようになっていることが好ましい。サブガスケットは、通常、バイポーラプレートを互いに分離するために使用され、バイポーラプレートの形状に類似するので、サブガスケットのいかなる位置合わせの不良によっても、バイポーラプレートが互いに接触するリスクが増大し、その結果、あらゆる状況下で回避しなければならない短絡が生じる。電極の位置合わせの不良から必ずしも短絡に至らないとしても、燃料電池スタックの効率が低下するので、回避しなければならない。

他の好ましい実施形態によれば、切断要素は、バイポーラプレートにおける１つまたは複数の開口の形状および／またはバイポーラプレートの１つまたは複数の特定の輪郭および／または１つまたは複数の位置合わせ構造および／またはバイポーラプレート自体の形状に類似する形状を有する切断パンチである。切断パンチの使用により、膜電極アセンブリの高精度かつ高速な切断が可能となる。さらに、切断パンチは、あらゆる種類の形状または開口を膜電極アセンブリに開けることができるように、多種多様な形状で提供され得る。

他の実施形態によれば、製造装置は、取付済み単位燃料電池が提供されるように、膜電極アセンブリをバイポーラプレートに固定するための１以上の固定装置をさらに含む。固定装置は、事前配置部位の一部であってもよいし、別個の固定部位に配置されてもよい。膜電極アセンブリが切断される前に、受け取りユニット内に受け取られる膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートが、接着、溶接、特に超音波溶接またはレーザー溶接、および／またははんだ付けによって、互いに対して固定されることが好ましい。そのために、固定装置は、接着ユニットおよび／または溶接ユニットを含んでもよい。これにより、高速かつ確実な固定プロセスが可能となる。

膜電極アセンブリをバイポーラプレートに固定した後に膜電極アセンブリを切断することによって、製造と位置合わせの公差のバランスをとることができる。膜電極アセンブリのうち予め規定された形状を有する領域は、単位燃料電池を積み重ねる際の切断位置合わせ構造として使用することができる。バイポーラプレートと膜電極アセンブリとを固定した後に形状を作成するため、ほぼ自動的に単位燃料電池の非常に正確な位置合わせを達成することができる。

上述したように、切断装置は、位置合わせ構造の切断の他に、膜電極アセンブリに対する他の構造、例えば反応物の主供給路に必要な開口の切断にも使用することができる。言い換えれば、バイポーラプレートの形状に類似する膜電極アセンブリの形状は、膜電極アセンブリがバイポーラプレートに固定された後に提供される。したがって、他の好ましい実施形態によれば、バイポーラプレートに固定されることになる膜電極アセンブリは、開口のないシート要素であり、切断装置はさらに、１以上の膜電極アセンブリの１以上の必要な開口を切断するようになっている。これにより、製造ステップが簡略化され、また、精度が向上し、短絡の危険性を回避することができる。これは、バイポーラプレートに対する膜電極アセンブリの配向の間、および／またはバイポーラプレートに対する膜電極アセンブリの固定の間に、必要とされる精巧さが低減される事実によるものである。膜電極アセンブリの活性部分を囲むサブガスケットおよび／またはガス拡散層は、固定プロセスの後に切断されて形にされてもよい。さらに、固定後の切断により、膜電極アセンブリ、または実際にはサブガスケットが、すべての領域でバイポーラプレートを確実に分離するので、短絡の危険性は排除され得る。

他の実施形態によれば、製造装置の事前配置部位は、１以上の膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートまたは複数のバイポーラプレートおよび膜電極アセンブリを事前に配置された向きで受け取り、保持するようになっている保持ユニットをさらに含み、切断装置は１以上または複数の膜電極アセンブリを切断するようになっている。これにより、例えば、単位燃料電池が切断位置合わせ構造および対応する位置合わせ特徴部、例えば案内ラックなどの案内要素によって位置合わせされた後に、位置合わせされた単位燃料電池のサブセットまたは完全な燃料電池スタックの膜電極アセンブリに開口を開けることが可能である。

他の好ましい実施形態によれば、製造装置は、膜電極アセンブリおよび／またはバイポーラプレートおよび／または取付済み単位燃料電池および／または単位燃料電池を部位の１以上において取り扱うための、かつ／または膜電極アセンブリおよび／またはバイポーラプレートおよび／または取付済み単位燃料電池および／または単位燃料電池を部位の１つから部位の別の１つに移送するための１以上の取り扱い装置をさらに含む。

「取付済み単位燃料電池」および「すぐ使用可能な単位燃料電池」と言う表現は、燃料電池スタックですぐ使用可能な単位燃料電池を、まだ仕上げていない単位燃料電池と区別するために使用される。したがって、取付済み単位燃料電池は、反応物用の開口、同単位燃料電池をスタックまたは膜電極アセンブリとバイポーラプレートとが互いに固定されていない単位燃料電池に位置合わせするための特別な位置合わせ特徴部等の必要な要素を欠いている可能性がある。しかしながら、「すぐ使用可能な単位燃料電池」という用語は、燃料電池スタックですぐ使用可能な単位燃料電池であって、最終的な燃料電池スタックと同様に全ての要素、構造、開口および輪郭からなる単位燃料電池を表すものとする。このような区別が必要でない場合、「単位燃料電池」という単純な語句は、「取付済み」および「すぐ使用可能な」単位燃料電池の両方を指す。

製造装置は、少なくとも、バイポーラプレートを受け取るための第１の操作ユニットと、膜電極アセンブリを受け取るための第２の操作ユニットとを事前配置部位に含み、第１の操作ユニットおよび第２の操作ユニットは、膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートを互いに予め規定された配向に配置するようになっていることが好ましい。

さらに、膜電極アセンブリを受け取る第２の操作ユニット、およびバイポーラプレートを受け取る第１の操作ユニットは、バイポーラプレートを膜電極アセンブリの上に配置するようになっていることが好ましい。第１操作ユニットが、バイポーラプレートの理論的な中点を第２操作ユニットの中心に置いて、バイポーラプレートを慎重に配置するようになっていることが好ましい。それにより、膜電極アセンブリの活性部分がバイポーラプレートの流体流れ場に確実に配置できる。

短絡を回避するために、複数の単位燃料電池をまず積み重ね、その後、必要な開口を切断することがさらに好ましい。したがって、切断装置が、さらに複数の膜電極アセンブリを切断するようになっている、実施形態が好ましい。

さらに、２段階の切断プロセスを使用することも有利であり、まず位置合わせ構造を切断し、次に位置合わせ構造を使用して複数のいわゆる取付済み単位燃料電池が位置合わせされ、最後に、正確に位置合わせされた複数のいわゆるすぐに使用可能な単位燃料電池のサブグループを設けるために必要な開口が開けられる。その後、これらのすぐ使用可能な単位燃料電池のサブグループを順に積み重ねて、最終的な燃料電池スタックを提供することができる。もちろん、最終的に積み重ねられた燃料電池スタックに必要な開口を開口することも可能である。

他の好ましい実施形態によれば、製造装置は、複数の単位燃料電池を受け取り、位置合わせし、かつ／または積み重ねるようになっている、位置合わせおよび／または積み重ね部位をさらに備える。それにより、位置合わせおよび／または積み重ね部位が、膜電極アセンブリの１以上の切断位置合わせ構造に基づいて複数の単位燃料電池を位置合わせさせるようになっている位置合わせ特徴部をさらに含むことが有利である。それにより、位置合わせおよび積み重ね部位の１以上の位置合わせ特徴部は、膜電極アセンブリの位置合わせ構造に対して相補的な形状を有することが好ましい。

上述したように、切断された膜電極アセンブリの予め規定された形状は、バイポーラプレートの輪郭に類似する。これにより、膜電極アセンブリとバイポーラプレートの両方に対して、この予め規定された形状を位置合わせ構造として使用することができる。さらに、短絡が回避され、燃料電池スタックの全体的な寸法が最適化され得る。

他の好ましい実施形態によれば、膜電極アセンブリは、取付済み燃料電池ユニットの外周部、好ましくは１以上の角部、好ましくは２つの対角線上の対向する角部に配置される領域で切断される。それにより、単位燃料電池は、対角作業配置を使用して積み重ねおよび／または位置合わせされることができる。これにより、簡略化されかつ高速の積み重ね・位置合わせプロセスが保証され、それにより、単位燃料電池の対角線上にある角部は、積み重ね／位置合わせに使用され得る。

その結果、複数の単位燃料電池を受け取り、位置合わせし、かつ／または積み重ねるようになっている位置合わせおよび／または積み重ね部位が、対角線上の対向する角部に配置されている案内要素からなることが、さらに好ましい。上述したように、位置合わせおよび／または積み重ね部位の位置合わせ特徴部は、さらに、膜電極アセンブリの切断面積に基づいて複数の単位燃料電池を位置合わせするようなっていることが有利である。

位置合わせおよび／または積み重ね部位が、複数の単位燃料電池を収容するようになっている第１の位置合わせ構造および第２の位置合わせ構造をさらに含むことがさらに好ましい。位置合わせおよび積み重ね部位は、単位燃料電池の１以上を１８０°回転させ、回転した単位燃料電池を１以上の他の好ましくは回転していない単位燃料電池に配置するようになっている取り扱いユニットをさらに含んでもよい。それにより、斜めの積み重ねを回避することができる。単位燃料電池を１つおきに回転させることも可能である。

他の好ましい実施形態によれば、製造装置における部位は、ある製造順序で配置され、ここで、事前配置部位は、切断部位の上流に配置され、切断部位は、今度は、位置合わせ部位の上流に配置される。オプションの固定部位は、好ましくは、事前配置部位の下流で、しかし切断部位の上流に配置される。また、部位は物理的に互いに分離されていなくてもよく、結合部位として実現されてもよいことに留意されたい。

本発明の他の局面は、以下のステップを含む、燃料電池スタックを製造するための方法に関する。

事前配置段階において、バイポーラプレートと膜電極アセンブリとを予め規定された配向で互いに対して配置するステップあって、バイポーラプレートは１以上の開口および／または１以上の特定の輪郭を有し、かつ膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートは、膜電極アセンブリがバイポーラプレート内の１以上の開口を覆うように、かつ／または１以上の領域でバイポーラプレート上に延在するようにバイポーラプレートと膜電極アセンブリを互いに対して配向させるステップと、
膜電極アセンブリが、バイポーラプレートの１以上の開口に類似する切断開口および／またはバイポーラプレートの１以上の輪郭に類似する１以上の切断輪郭および／または燃料電池スタックの単位燃料電池を位置合わせするための１以上の切断位置合わせ構造を有するように、１以上の予め規定された領域において膜電極アセンブリを切断するステップ。

本方法は、好ましくは、接着、溶接および／またははんだ付けによって、取付済み単位燃料電池を提供するために、膜電極アセンブリをバイポーラプレートに固定する、いわゆる固定ステップをさらに含んでもよい。固定段階は、配置段階の後であって、切断段階の前に行われることが好ましい。

本方法の他のステップは、以下を含んでもよい。
バイポーラプレート、すなわちカソードプレート、アノードプレート、または予め組み立てられたバイポーラプレートアセンブリを提供するステップと、
予め組み立てられた膜電極アセンブリを提供するステップと、
膜電極アセンブリをバイポーラプレートに固定するステップであって、これにより予め組み立てられた単位燃料電池が提供されるようにし、同膜電極アセンブリが、１以上の領域においてバイポーラプレートの輪郭上に延在するようにするステップ。

他の実施形態によれば、本方法は、取付済み単位燃料電池の膜電極アセンブリに切り込まれた切断構造の少なくとも１つによって、単位燃料電池を位置合わせするステップをさらに含む。

なお、前記装置について記載の特徴は、請求項の方法にも当てはまる。

対応する方法ステップを実行するようになっている、上述したような製造装置を使用することがさらに好ましい。

本発明の他の局面は、燃料電池スタック用のすぐ使用可能な単位燃料電池に関し、同すぐ使用可能な単位燃料電池は、上述の製造装置および／または上述の製造方法によって製造されることを特徴とする。

本発明の他の局面は、上記のような装置および／または上記のような方法によって製造された、上記のような複数の単位燃料電池を含む燃料電池スタックに関するものである。

他の好ましい実施形態は、従属請求項ならびに説明および図において定義される。それにより、他の要素と組み合わせて説明または示された要素は、保護範囲から逸脱することなく、単独または他の要素と組み合わせて存在することができる。

以下では、本発明の好ましい実施形態を図面に関連して説明するが、図面は例示的なものであり、保護範囲を限定することを意図するものではない。保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ、定義される。

図には、以下のものが示される。

第１の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第１の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第１の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第１の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第２の実施形態による切断装置の概略図である。 第３の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第３の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。 第３の実施形態による単位燃料電池の製造ステップを示す概略図である。

以下では、同一または類似の機能要素には、同じ参照番号を付して示す。

さらに、以下では、燃料電池スタックですぐ使用可能な単位燃料電池を、まだ仕上がっていない単位燃料電池と区別するために、「取付済み単位燃料電池」および「すぐ使用可能な単位燃料電池」という語句を使用する。したがって、取付済み単位燃料電池は、反応物用の開口、同単位燃料電池をスタックまたは膜電極アセンブリとバイポーラプレートとが互いに固定されていない単位燃料電池に位置合わせするための特別な位置合わせ特徴部等の必要な要素を欠いている可能性がある。しかしながら、「すぐ使用可能な単位燃料電池」という用語は、燃料電池スタックですぐ使用可能な単位燃料電池であって、最終的な燃料電池スタックと同様に全ての要素、構造、開口および輪郭を含むものを表すものとする。「単位燃料電池」という単純な表現は、「取付済み」単位燃料電池と「すぐに使用可能な」単位燃料電池の両方を指す。例えば、単位燃料電池の積み重ねおよび位置合わせは、取付済み燃料電池だけでなく、すぐに使用可能な単位燃料電池でも行うことができる。

図１は、少なくとも膜電極アセンブリ２とバイポーラプレート４とを備える、本発明の第１の実施形態による単位燃料電池１の製造ステップを概略的に示す。それにより、膜電極アセンブリ２は、２つの電極によって挟まれる１以上の膜を含み（３層膜電極アセンブリ）、かつサブガスケットによって囲まれていてもよく、これにより５層膜電極アセンブリを形成することに留意されたい。さらに、膜電極アセンブリ２は、５層膜電極アセンブリに取り付けられたガス拡散層を含んでもよく、これにより７層膜電極アセンブリを形成する。当然、他の配置や、より多くの層またはより少ない層でも可能である。簡略化のため、以下では、すべての種類の膜電極アセンブリを、膜電極アセンブリ２という表現で扱うことにする。

図１ａは、バイポーラプレート４の上に配置される製造装置（図示せず）の事前配置部位における膜電極アセンブリ２を図示する。それにより、膜電極アセンブリ２とバイポーラプレート４は互いに対して配向され、いわゆる取付済み単位燃料電池が提供される。図１ａに示すように、取付済み単位燃料電池において、膜電極アセンブリ２は、バイポーラプレート４の上に重なり、バイポーラプレート４の形状に類似する開口および／または輪郭を有さない。膜電極アセンブリ２は、任意の適切な固定手順、例えば接着、溶接、特に超音波溶接、はんだ付け等によってバイポーラプレート４に取り付けられることが好ましい。

なお、バイポーラプレート４へ膜電極アセンブリ２を固定するには複数のやり方が可能であることに留意されたい。例えば、５層膜電極アセンブリ２を使用する場合、ガス拡散層は別個の要素であり、膜電極アセンブリがバイポーラプレート４に固定される前に、バイポーラプレート４に固定されてもよい。あるいは、ガス拡散層を５層膜電極アセンブリに固定し、その後、７層膜電極アセンブリをバイポーラプレート４に固定することも可能である。さらに、５層膜電極アセンブリ２をバイポーラプレート４に固定し、その後、例えば積み重ね中にガス拡散層を配置し固定することも可能である。

また、膜電極アセンブリ２をバイポーラプレート４に固定するステップは、膜電極アセンブリ２が形状にカットされた後に実行されてもよいことは、言うまでもない。

次のステップでは、図１ｂに示すように、膜電極アセンブリ２およびバイポーラプレート４を、切断装置６に挿入する。切断装置は、製造装置の切断部位の一部であってもよい。
当然、上述した配向ステップが切断装置６自体で行われることも可能であり、それにより、事前配置部位と切断部位との複合部位が使用される。そのために、切断装置６は、例えば１以上の保持ユニット（図示せず）を含んでいてもよく、この保持ユニットは、膜電極アセンブリ２およびバイポーラプレート４を受け取り、それらを互いに対して配向させるようになっている。もちろん、保持ユニットはまた取付済み単位燃料電池自体を受け取るようになっていてもよい。

さらに、切断装置６は、１以上の切断パンチ８を含み、このパンチは、膜電極アセンブリ２を予め定められた領域で切断するようになっている。図１ｂに図示する実施形態では、２つの切断パンチ要素８－１および８－２があり、これらは、膜電極アセンブリ２の縁部１０－１および１０－２を切断するようになっている。それにより、すべての取付済み単位燃料電池１には、後続の積み重ねステップにおいて単位燃料電池１を位置合わせするために使用され得る同じ縁部１０－１および１０－２が設けられる。切断縁部１０－１および１０－２は、各単位燃料電池１について同一なので、位置合わせ精度を向上させ、それにより燃料電池の動作を改善することが可能である。位置合わせ構造、すなわち切断縁部１０－１および１０－２のみを有する取付済み単位燃料電池１を、図１ｃに示す。これらの位置合わせ構造は、燃料電池スタックの積み重ね中に、対応するが相補的な形状の位置合わせ特徴部と相互作用し得る。

位置合わせ構造、すなわち切断縁部１０－１、１０－２の切断の他に、図１ｄに示すように、対応する形状の切断パンチ要素８－３を用いて、反応物および冷却剤のための開口１２を開けることも可能である。開口１２は、位置合わせ構造１０の切断の後続ステップで開けてもよいが、図２に示すように、全ての構造、開口１２、位置合わせ構造１０等を、単一の対応する形状の切断要素８で切断することも可能である。

さらに、膜電極アセンブリ２とバイポーラプレート４とが互いに対して配向される前に、開口１２がすでに開けられていたり、または図３ａ～ｃに示すように、膜電極アセンブリ２が既に製作済みの開口を有することも可能である。図示の実施形態では、縁部の切断は、単位燃料電池を正確に積み重ねることができるように、対応する位置合わせ特徴部１４（図３ｃ参照）に適合する、単位燃料電池における同一の位置合わせ構造１０－１および１０－２を提供するために使用され得る。

しかしながら、バイポーラプレート４に膜電極アセンブリ２を配向した後に膜電極アセンブリ２の切断を実行すれば、膜電極アセンブリ２が全ての場所でバイポーラプレート４を覆い、それにより２つの隣接するバイポーラプレート４を隔離するのが確実になるので、開口１２と位置合わせ構造１０の両方を切断することによって、短絡または膜電極アセンブリ２のバイポーラプレート４に対する位置合わせの不良の危険性が低減され得る。位置合わせ不良の膜電極アセンブリ２によるバイポーラプレート４の偶発的な露出を回避することができる。

図示しない他の実施形態において、取付済み単位燃料電池のサブセットが、まず互いに対して位置合わせされて固定され、この取付済み単位燃料電池のサブセットを位置合わせした後に初めて、膜電極アセンブリの開口が開けられる。

図３に図示する実施形態では、開口、位置合わせ構造、輪郭等のすべての構造は、その時点ですぐに使用可能な単位燃料電池が、図３ｃに概略的に示す位置合わせユニット１６を含む位置合わせ部位（図３ｃ参照）に移送される前に実施される。位置合わせユニット１６は、位置合わせ構造１０－１および１０－２に対応する形状を有する位置合わせ特徴部１４を有するので、単位燃料電池の非常に精度の高い位置合わせが可能である。

要約すると、膜電極アセンブリ２がバイポーラプレート４に配置または好ましくは取り付けられた後に、膜電極アセンブリ２を形状に切断することによって、単位燃料電池の非常に精度の高い位置合わせが可能である。さらに、バイポーラプレート４のどこも露出せず、隣接するバイポーラプレート４と接触し得ないように、膜電極アセンブリがすべての場所でバイポーラプレートを確実に覆うので、短絡の危険が回避される。

１ 単位燃料電池
２ 膜電極アセンブリ
４ バイポーラプレート
６ 切断装置
８ 切断パンチ
１０ 切断縁部（位置合わせ構造）
１２ 開口
１４ 位置合わせ特徴部
１６ 位置合わせユニット

Claims (15)

1. 燃料電池スタックまたは前記燃料電池スタックの１以上の単位燃料電池（１）の製造装置であって、少なくとも
   膜電極アセンブリ（２）およびバイポーラプレート（４）を互いに対して予め規定された配向に配置させるための事前配置部位を含み、前記バイポーラプレート（４）が１以上の開口（１２）および／または１以上の特定の輪郭を有し、かつ前記膜電極アセンブリ（２）が、前記バイポーラプレート（４）の１以上の開口を覆い、かつ／または１以上の領域において、前記バイポーラプレート（４）の上に延在するように、前記膜電極アセンブリ（２）と前記バイポーラプレート（４）とが互いに対して配向され、
   前記製造装置が、前記膜電極アセンブリ（２）が、前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の開口に類似する切断開口（１２）および／または前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の輪郭に類似する１以上の切断輪郭（１０）および／または燃料電池スタックの前記単位燃料電池（１）を位置合わせするための１以上の切断位置合わせ構造（１０）を有するように、予め定められた領域で、前記膜電極アセンブリ（２）を切断するようになっている切断装置（６）を有する１以上の切断部位をさらに含むことを特徴とする、製造装置。
2. 前記製造装置が、前記膜電極アセンブリ（２）を前記バイポーラプレート（４）に固定するための１以上の固定装置をさらに含み、それにより、取付済み単位燃料電池（１）が提供され、かつ前記固定装置が、事前配置部位に配置されるか、または別の固定部位に配置される、請求項１に記載の製造装置。
3. 前記固定装置が、前記膜電極アセンブリ（２）と前記バイポーラプレート（４）とを互いに接着するようになっている接着ユニットおよび／または前記膜電極アセンブリ（２）と前記バイポーラプレート（４）とを互いに溶接するようになっている溶接ユニットをさらに含む、請求項２に記載の製造装置。
4. 前記製造装置が、複数の単位燃料電池（１）を受け取り、位置合わせし、かつ積み重ねるようになっており、かつ前記複数の単位燃料電池（１）を位置合わせするようになっている１以上の位置合わせ特徴部（１４）を含む、位置合わせ・積み重ね装置（１６）を有する位置合わせ・積み重ね部位をさらに含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の製造装置。
5. 前記切断装置が、前記膜電極アセンブリに対し１以上の切断位置合わせ構造を切断により設けるようになっており、かつ前記位置合わせ・積み重ね装置が、前記膜電極アセンブリの前記１以上の切断位置合わせ構造と相補的な形状を有する１以上の位置合わせ特徴部をさらに含む、請求項４に記載の製造装置。
6. 製造順序において、前記事前配置部位が、前記位置合わせ部位の上流に配置される前記切断部位よりも上流に配置される、請求項１乃至５のいずれかに記載の製造装置。
7. 前記切断装置（８）が、バイポーラプレート（４）の１以上の開口の形状および／または前記バイポーラプレート（４）の１以上の特定の輪郭および／または１以上の位置合わせ構造（１０）および／または前記バイポーラプレート（４）自体の形状に類似する形状を有する切断パンチ（８）である、請求項１乃至６のいずれかに記載の製造装置。
8. 前記事前配置部位が、１以上の膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートまたは複数の膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートを事前配置された配向で受け取り、保持するようになっている保持装置をさら含み、前記切断装置（８）が、１以上の膜電極アセンブリまたは複数の膜電極アセンブリ（２）を切断するようになっている、請求項１乃至７のいずれかに記載の製造装置。
9. 前記製造装置が、部位の１以上において前記膜電極アセンブリおよび／または前記バイポーラプレートおよび／または取付済み単位燃料電池および／または単位燃料電池を取り扱いかつ／または部位の１つから別の部位へ前記膜電極アセンブリおよび／または前記バイポーラプレートおよび／または前記取付済み単位燃料電池および／または前記単位燃料電池を移送するための１以上の取り扱い装置をさらに含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の製造装置。
10. 前記１以上の取り扱いユニットが、取付済み単位燃料電池（１）の１以上を１８０°回転させ、前記回転させた取付済み単位燃料電池（１）を、１以上の他の、好ましくは回転させていない取付済み単位燃料電池（１）に配置するようになっている、請求項９に記載の製造装置。
11. 燃料電池スタックまたは燃料電池スタックの１以上の単位燃料電池（１）を製造する方法であって、
    事前配置段階において、バイポーラプレート（４）および膜電極アセンブリ（２）を予め規定された配向で互いに対して配置するステップを含み、前記バイポーラプレート（４）が１以上の開口（１２）および／または１以上の特定の輪郭を有し、かつ前記膜電極アセンブリ（２）および前記バイポーラプレート（４）が、前記膜電極アセンブリ（２）が前記バイポーラプレート（４）の１以上の開口を覆い、かつ／または１以上の領域で前記バイポーラプレート（４）の上に延在するように互いに対して配向されており、さらに
    切断段階において、１以上の予め規定された領域で、前記膜電極アセンブリ（２）を切断するステップを含み、それにより前記膜電極アセンブリ（２）が、前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の開口に類似する切断開口（１２）および／または前記バイポーラプレート（４）の前記１以上の輪郭に類似する１以上の切断輪郭（１０）および／または燃料電池スタックの前記単位燃料電池（１）を位置合わせするための１以上の切断位置合わせ構造（１０）を有するようになっている方法。
12. 取付済み単位燃料電池（１）を提供するために、固定段階において、前記膜電極アセンブリ（２）を前記バイポーラプレート（４）に固定するステップをさらに含み、前記固定ステップは、前記配置ステップの後で、かつ前記切断ステップの前に行われる、請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１乃至９のいずれかに記載の製造装置において実施される、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 燃料電池スタック用の単位燃料電池（１）であって、前記単位燃料電池（１）が、請求項１乃至９のいずれかに記載の製造装置により、かつ／または請求項１０乃至１３のいずれかに記載の方法により製造されたものである、単位燃料電池。
15. 請求項１４に記載の複数の単位燃料電池（１）を含む燃料電池スタック。

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