JP5194502B2 - 燃料電池スタックならびにその製造方法と検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の構造とその製造方法に関する。

従来から、車両に搭載可能な燃料電池の構造として、複数の発電体と、複数のセパレータとを交互に積層した構成が提案されている。このような積層においては、発電体とセパレータの位置関係を高い精度で維持して燃料ガスや冷却媒体の流路を確保することが望まれている。このような要請に対して、たとえば特許文献１〜４に開示されるように発電体とセパレータとに連通する貫通穴を設けてピンを通すことによって位置関係を高い精度で維持する方法も提案されている。一方、積層の作業性の向上を目的として、レーザービームを用いて燃料電池スタックの積層厚さを検知し、この検知によって燃料電池スタックの昇降を制御させる方法も提案されている。

特開２００５−２９６７４６号公報 特開２００５−７９０２４号公報 特開２００５−１６６４２０号公報 特開平９−１３４７３４号公報 特開２００５−１４２０５１号公報

しかし、たとえば貫通穴にピンを通す方法では、ピンの剛性確保の観点から貫通穴の径を小さくすることができないため、その貫通穴の形成に起因して燃料電池が大型化するという問題があった。さらに、貫通穴にピンを通す方法では、ピンを抜いて積層した後に積層方向に圧縮締結する過程において積層状態にズレが生じた場合に、そのズレを検出することができないという問題も有していた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、発電体とセパレータとを積層して構成される燃料電池において、その積層ズレを検出する技術を提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、
複数の発電体と、
前記複数の発電体の各々と交互に積層された複数のセパレータと、
を備え、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から前記貫通穴が視認可能に形成された特定の貫通穴である。

本発明の燃料電池スタックでは、複数のセパレータと複数の発電体の少なくとも一方には積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、その少なくとも一部が燃料電池の外部から視認可能に形成された特定の貫通穴なので、この燃料電池スタックの内部における貫通穴への光の透過状態を外部から観測することができる。これにより、積層位置のズレを生じさせている発電体あるいはセパレータの特定を容易にすることができる。

上記燃料電池スタックにおいて、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴であっても良い。こうすれば、比較的に大きな径を有する方向と比較的に小さな径を有する方向とを有する長穴の特性を利用して、比較的に大きな径を有する方向への積層ズレによる光の閉塞を抑制して、小さな径を有する方向への積層ズレを高精度に検出することができる。

上記燃料電池スタックにおいて、
前記特定の貫通穴は、前記複数のセパレータのみに形成されていても良い。外部から視認可能に形成された特定の貫通穴は、加工性の観点から発電体よりもセパレータの方が容易に形成可能であるという利点がある。

本発明は、さらに、燃料電池スタックの製造方法を提供する。この製造方法は、
複数のセパレータと複数の発電体とを準備する準備工程と、
前記複数の発電体の各々と前記複数のセパレータの各々とを交互に積層する積層工程と、
を備え、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成する工程を含み、
前記積層工程は、
前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を所定の積層位置に配置する第１の工程と、
前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第２の工程と、
前記通過光の光量が予め設定された量よりも多いことを確認する第３の工程と、
前記通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、前記通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように前記積層位置を変更する第４の工程と、
を含む。

本発明の製造方法では、通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように積層位置が変更されるので、積層位置のズレを確認しつつ積層位置を決定することができる。

上記製造方法において、
前記複数の貫通穴は、前記燃料電池の積層方向から見た面が長穴であり、
前記積層工程は、さらに、
前記長穴の連通穴に光を通過させる工程と、
前記積層位置の移動に応じた前記通過光の光量変化に基づいて、前記連通する長穴の比較的に小さな径の方向について前記積層位置を決定する工程と、
を含むようにしてもよい。

こうすれば、連通する貫通穴を通過した光の光量の積層位置の移動に応じた変化に基づいて、連通する長穴の比較的に小さな径の方向について積層位置を決定することができるので、見通しの良い決定操作を行うことができる。このような見通しの良い決定操作は、自動化を顕著に容易化することができる。

本発明は、さらに、複数の発電体と前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータとを備えた燃料電池スタックの検査方法を提供する。この検査方法は、
前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から視認可能に形成された特定の貫通穴であり、
前記検査方法は、
前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第１の工程と、
前記通過光の光量に基づいて前記積層位置のズレを検出する第２の工程と、
を含む。

このような検査方法は、たとえば車両の事故その他の事情で衝撃を受けたときにも燃料電池スタックを分解することなくズレを確認することができるという利点を有しているとともに、燃料電池スタックの運用中にも検査を行うことも可能である。

上記検査方法において、
前記第１の工程は、前記複数の発電体と前記複数のセパレータのうち前記積層位置のズレが発生している前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を、前記特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定する工程を含むようにしてもよい。こうすれば、複数の発電体と複数のセパレータのうち積層位置のズレが発生しているものを特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定することができるので、単にズレが発生していることだけでなく、何処でズレが発生しているかも特定するための情報をも与えることができる。

このような製造方法や検査方法では、レーザー光を利用して各プレート２００、３００、５１０、５２０の積層状態を確認することができるので、各プレート２００、３００、５１０、５２０の相互間について予め設定された位置関係の許容誤差に基づいて、たとえば１ミリ以下の穴径を設定することができる。これにより、従来採用されていたようなピンの剛性によって、各プレート２００、３００、５１０、５２０の相互間の位置ズレを制限する方法のように、貫通穴の穴径を十分な剛性を有するピンを通過させるほどに大きくする必要（たとえば数ミリのオーダー）がないので、各プレート２００、３００、５１０、５２０のサイズを小さくすることができる。

なお、本発明は、燃料電池スタック、燃料電池組立方法、燃料電池組立装置その他の種々の態様で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの積層方法：
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの積層方法：
Ｃ．変形例：

Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池スタックの積層方法：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池スタック１０００の構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０００は、本実施例では、水素ガスや空気、冷却水といった流体の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池であり、車両（図示せず）への搭載も可能である。燃料電池スタック１０００は、複数のセパレータ２００と複数の発電体３００とを相互に積層し、これを上端と下端に配置されたエンドプレート５１０、５２０によって挟持することによって構成されている。

図１には、単一のセパレータ２００と単一の発電体３００とを備える積層ユニット１１００の拡大図も示されている。セパレータ２００は、３枚の金属（例えば、ステンレス）の薄板、すなわち、カソードプレート２１０と、中間プレート２２０と、アノードプレート２３０とを積層して形成される三層積層型セパレータとして構成されている。一方、発電体３００は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜のアノード側の面に接して配置されたアノード側電極３４０と、電解質膜のカソード側の面に接して配置されたカソード側電極（図示せず）を備えている。

セパレータ２００と発電体３００とには、燃料ガスとしての水素や空気、冷媒としての水といった流体を流すための流路を形成するためのマニホールド１０ｈｉｎ、１０ｈｏｕｔ、１０ａｉｎ、１０ａｏｕｔ、１０ｗｉｎ、１０ｗｏｕｔが形成されている。水素吸入マニホールド１０ｈｉｎは、複数の発電体３００の全てに水素ガスが供給できるように、複数の発電体３００および複数のセパレータ２００の全てに連通するように構成されている。水素排出マニホールド１０ｈｏｕｔ、空気吸入マニホールド１０ａｉｎ、空気排出マニホールド１０ａｏｕｔ、水吸入マニホールド１０ｗｉｎ、および水排出マニホールド１０ｗｏｕｔのいずれもが複数の発電体３００および複数のセパレータ２００の全てに連通するように構成されている。

このようにして連通によって形成される各マニホールドにおいて、発電体３００には、発電体３００とセパレータ２００との間の接合面における流体の漏洩を抑制するためのシールリブ３２０ｒｂを備えている。ただし、このような漏洩の抑制には、発電体３００とセパレータ２００との位置関係が高精度に維持されることが要請される。さらに、セパレータ２００が備えるカソードプレート２１０と、中間プレート２２０と、アノードプレート２３０との相互の位置関係についてもセパレータ２００の内部の流路（図示せず）の形成の要請から相互の位置関係が高精度に維持されることが要請される。

このように、燃料電池スタック１０００の構成において、発電体３００やセパレータ２００の相互の位置関係、さらには発電体３００やセパレータ２００の構成部品の相互の位置関係についてもが高精度に維持されることが要請される。一方、このようなズレ（相互の位置関係の誤差）を許容するような設計とすると、燃料電池スタック１０００が大型化する要因となる。

図２は、このようなズレを抑制するための２個のレーザー光用貫通穴を示す説明図である。レーザー光は、２個のレーザー光発信器６１０ａ、６２０ａの各々から射出され、２個のレーザー光用貫通穴の各々を貫通して２個のレーザー光受信器６１０ｂ、６２０ｂの各々に受信される。

２個のレーザー光用貫通穴は、セパレータ２００に形成された３個の貫通穴２１１、２２１、２３１と、発電体３００に形成された貫通穴３０１（図１）とから形成される第１貫通穴と、セパレータ２００に形成された３個の貫通穴２１２、２２２、２３２と、発電体３００に形成された貫通穴３０２（図１）とから形成される第２貫通穴と、から構成されている。第１貫通穴と第２貫通穴とは、相互に対角線上の位置に形成されている。このような位置に形成されているのは、他の部位と比較してズレ（特に回転ズレ）を大きく検出できる位置だからである。

第１貫通穴を形成する４個の貫通穴２１１、２２１、２３１、３０１の各々と、第２貫通穴を形成す４個の貫通穴２１２、２２２、２３２、３０２の各々と、はいずれも予め設定された相互の位置関係の許容誤差に基づいて穴径を設定することができる。たとえば許容誤差を小さくするためには穴径を小さくすればよく、許容誤差を大きくするためには穴径を大きくすれば良い。

図３は、本実施例の外部から観察可能な貫通穴２２１、２２２を示す拡大図である。第１貫通穴の貫通穴２２１や第２貫通穴の貫通穴２２２については、本図と図２の矢視ＡＡから分かるように、燃料電池スタック１０００の外部から見えるように形成されている。このように外部から見えるように貫通穴２２１、２２２が形成されているのは、燃料電池スタック１００の内部におけるレーザー光の貫通状態が燃料電池スタック１０００の外部から確認できるようにするためである。

図４は、本実施例の燃料電池スタック積層工程のルーチンを示す説明図である。本実施例では、図示しない産業用ロボットがセパレータ２００と発電体３００とを交互に積層して燃料電池スタック１０００を製造するものとする。

ステップＳ１００では、所定数のセパレータ２００と発電体３００とが準備される。セパレータ２００や発電体３００は、サブアッセンブリーとして組み立てられたものであっても良い。具体的には、たとえばカソードプレート２１０と、中間プレート２２０と、アノードプレート２３０とが別個に準備されていても良いし、セパレータ２００として予め組み立てられたものとして準備されていても良い。

ステップＳ２００では、下端に配置されたエンドプレート５２０の上側に最初の発電体３００を積層する。発電体３００の積層は、発電体３００を構成する複数のプレート（図示せず）を順に積層するようにしても良いし、あるいは予め組み立てられた発電体３００を積層するようにしても良い。この点は、セパレータ２００の積層についても同様である。

ステップＳ３００では、２個のレーザー光発信器６１０ａ、６２０ａの各々から第１貫通穴と第２貫通穴とにレーザー光が射出される。レーザー光の射出は、発電体３００やセパレータ２００の積層毎に実行しても良いし、あるいはカソードプレート２１０や中間プレート２２０と、アノードプレート２３０といったプレート毎に実行しても良い。

ステップＳ４００では、２個のレーザー光受信器６１０ｂ、６２０ｂの各々で光量が計測される。光量の計測を行った結果、いずれか一方の光量が予め設定された閾値を超えなかった場合には、最初に積層された発電体３００の位置が修正されるとともに、処理がステップＳ３００に戻される（ステップＳ４１０）。一方、双方の光量が予め設定された閾値を超えた場合には、予め設定された積層数に到達するまで処理がステップＳ２００に戻される（ステップＳ５００）。

ステップＳ２００では、セパレータ２００が積層されて、レーザー光照射（ステップＳ３００）、光量計測（ステップＳ４００）、および位置修正（ステップＳ４１０）の処理に進められる。このように、セパレータ２００と発電体３００とを交互に積層して所定数のプレート２００、３００が積層されたら最後にエンドプレート５１０が積層された後に処理がステップＳ６００に進められる（ステップＳ５００）。

ステップＳ６００では、締結処理が行われる。締結処理とは、機械的に燃料電池スタック１０００を固定する処理である。ステップＳ７００では、ステップＳ３００のレーザー光照射と同様にレーザー光照射が行われ、光量が確認される。これにより、締結処理に起因したセパレータ２００や発電体３００、エンドプレート５１０、５２０といった各プレートの積層のズレが許容範囲内であることを確認することができる。

このように、本実施例では、レーザー光を利用して各プレート２００、３００、５１０、５２０の積層状態を確認することができるので、各プレート２００、３００、５１０、５２０の相互間について予め設定された位置関係の許容誤差に基づいて、たとえば１ミリ以下の穴径を設定することができる。これにより、従来採用されていたようなピンの剛性によって、各プレート２００、３００、５１０、５２０の相互間の位置ズレを制限する方法のように、貫通穴の穴径を十分な剛性を有するピンを通過させるほどに大きくする必要（たとえば数ミリのオーダー）がないので、各プレート２００、３００、５１０、５２０のサイズを小さくすることができる。

本実施例では、前述のように貫通穴２２１、２２２が外部から見えるように形成されているので、さらに以下のような利点をも有している。ステップＳ７００の光量計測において、第１貫通穴と第２貫通穴を通過する光量のいずれかが所定の閾値を超えなかった場合には、所定の閾値を超えなかった側の貫通穴２２１、２２２について燃料電池スタック１０００の内部におけるレーザー光の通過状態を確認することができる。

たとえば第１貫通穴についてのみ光量が閾値を下回った場合には、セパレータ２００毎が有する貫通穴２２１の各々についてレーザー光の通過状態（散乱状態）を、たとえば黙視によって確認し、これにより、どのセパレータ２００まで十分なレーザー光が通過しているかを特定することができる。

このように、本実施例では、積層された複数のセパレータ２００のうちいずれにズレがあるかを特定することができるという利点もある。なお、本実施例では、貫通穴２２１と貫通穴２２２とが特許請求の範囲における「特定の貫通穴」に相当する。また、「外部から視認可能に」とは、外部からレーザー光の貫通状態が分かるように構成されていればよく、たとえば透明体（図示せず）が勘合されていて外部に光が漏れるように構成されていても良い。

Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池スタックの積層方法：
図５は、本発明の第２実施例における貫通穴２１２、２１１ａを示す説明図である。第２実施例は、２個の貫通穴２１２、２１１ａの各々が相違する役割を有している点で第１実施例と相違する。貫通穴２１２は、各プレート２００、３００、５１０、５２０の並進方向（Ｘ方向乃至Ｙ方向）のズレを検出する役割を有している。一方、貫通穴２１１ａは、方位α（向き）のズレを検出する役割を有している。

第２実施例では、たとえば、最初に貫通穴２１２を利用して各プレート２００、３００、５１０、５２０の並進方向の位置を調整し、最後に貫通穴２１１ａを利用して各プレート２００、３００、５１０、５２０の向きを調整することによって積層時の位置合わせを行うことができる。

本実施例は、特に産業用ロボット（図示せず）等を利用して積層工程の自動化を行う際に、その実現を顕著に容易化することができるという利点がある。

なお、複数の貫通穴の各々に相違する役割を持たせる方法は、並進方向と角度への分担だけでなく、Ｘ方向とＹ方向への分担も可能である。たとえば第２実施例の変形例（図６）では、Ｘ方向のズレは貫通穴２１１ｂを利用して検出し、Ｙ方向のズレは貫通穴２１１ｃを利用して検出するようにして構成されている。

貫通穴２１１ｂがＸ方向のズレを高感度で検出できるのは、Ｘ方向に短くＹ方向に長い長穴として形成されているので、Ｙ方向へのズレでは光量変化が小さくＸ方向へのズレで光量が顕著に変化するからである。一方、貫通穴２１１ｃがＹ方向のズレを高感度で検出できるのは、Ｙ方向に短くＸ方向に長い長穴として形成されているので、Ｘ方向へのズレでは光量変化が小さくＹ方向へのズレで光量が顕著に変化するからである。

また、４個の貫通穴２１２、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃは、現実のズレの発生状態や産業用ロボットの特性を考慮して複数の貫通穴を任意に組み合わせて利用することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。

Ｃ−１．上記実施例では、位置ズレの検出にレーザー光を使用しているが、必ずしもレーザー光である必要はない。ただし、レーザー光であれば平行性や指向性、高い強度、単一波長といった計測に有利な特徴を利用可能という利点がある。

Ｃ−２．上記実施例では、位置決め用のピンを使用することなく、積層処理を行っているが、たとえばピンとレーザー光の検出とを併用するようにしても良い。このようにしてもピンの本数を減らすことができるので、燃料電池スタックの小型化を実現することができる。

Ｃ−３．上記実施例では、貫通穴２２１、２２２への光の通過状態の確認の方法は、貫通穴２２１、２２２における光の散乱で簡易に確認しているが、たとえば光量検出用プローブ（図示せず）あるいは光の拡散や反射によって外部に光を取り出し可能なプローブ（図示せず）を利用して、光の到達の確認や光量の計測を行うようにしても良い。

Ｃ−４．上記実施例では、複数のセパレータと複数の発電体の双方に相互に連通する複数の貫通穴が形成されているが、たとえば図７に開示されるように発電体３００ａを介することなくセパレータ２００ａと、セパレータ２００ｂとが直接接合される領域が存在する場合には、複数のセパレータにのみ相互に連通する複数の貫通穴２２０ａ、２２０ｂを設けるようにしても良い。逆に、たとえばセパレータを介することなく発電体同士が直接接合される領域が存在する場合には、複数の発電体にのみ相互に連通する複数の貫通穴を設けるようにしても良い。本発明では、一般に、複数のセパレータと複数の発電体の少なくとも一方に積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されていればよい。

本発明の第１実施例の燃料電池スタック１０００の構成を示す説明図。 第１実施例のレーザー光用貫通穴を示す説明図。 第１実施例の外部から観察可能な貫通穴２２１、２２２を示す拡大図。 本実施例の燃料電池スタック積層工程のルーチンを示す説明図。 本発明の第２実施例における貫通穴２１１、２１１ａを示す説明図。 本発明の第２実施例の変形例における貫通穴２１１ｂ、２１１ｃを示す説明図。 本発明の積層状態の変形例を示す説明図。

符号の説明

２００…セパレータ
２００…プレート
２００毎…セパレータ
２１０…カソードプレート
２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１２、２２１、２２２、３０１、３０２…貫通穴
２２０…中間プレート
２３０…アノードプレート
３００…発電体
３２０ｒｂ…シールリブ
３４０…アノード側電極
５１０、５２０…エンドプレート
６１０ａ…レーザー光発信器
６１０ｂ…レーザー光受信器
１０００…燃料電池スタック
１１００…積層ユニット

Claims (7)

1. 燃料電池スタックであって、
   複数の発電体と、
   前記複数の発電体の各々と交互に積層された複数のセパレータと、
   を備え、
   前記複数のセパレータと前記複数の発電体には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
   前記複数の貫通穴の一部は、前記燃料電池スタックの外部から前記貫通穴が視認可能に形成された第１の貫通穴であり、前記複数の貫通穴の残部は、前記燃料電池スタックの外部から見えない第２の貫通穴である燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの積層方向から見た面が長穴である燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１の貫通穴は、前記複数のセパレータのみに形成されている燃料電池スタック。
4. 燃料電池スタックの製造方法であって、
   複数のセパレータと複数の発電体とを準備する準備工程と、
   前記複数の発電体の各々と前記複数のセパレータの各々とを交互に積層する積層工程と、
   を備え、
   前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
   前記積層工程は、
   前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を所定の積層位置に配置する第１の工程と、
   前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第２の工程と、
   前記連通穴を通過した通過光の光量が予め設定された量よりも多いことを確認する第３の工程と、
   前記通過光の光量が予め設定された量よりも少ないときには、前記通過光の光量が予め設定された量よりも多くなるように前記積層位置を変更する第４の工程と、
   を含む製造方法。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記複数の貫通穴は、前記燃料電池スタックの積層方向から見た面が長穴であり、
   前記積層工程は、さらに、
   前記長穴の連通穴に光を通過させる工程と、
   前記積層位置の移動に応じた前記通過光の光量変化に基づいて、前記連通する長穴の比 較的に小さな径の方向について前記積層位置を決定する工程と、
   を含む製造方法。
6. 複数の発電体と前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータとを備えた燃料電池スタックの検査方法であって、
   前記複数のセパレータと前記複数の発電体の少なくとも一方には、前記積層がなされたときに積層方向に亘って連通する複数の貫通穴が形成されており、
   前記複数の貫通穴の少なくとも一部は、前記燃料電池スタックの外部から視認可能に形成された特定の貫通穴であり、
   前記検査方法は、
   前記複数の貫通穴が連通する連通穴に光を通過させる第１の工程と、
   前記連通穴を通過した通過光の光量に基づいて前記発電体または前記セパレータの積層位置のズレを検出する第２の工程と、
   を含む検査方法。
7. 請求項６記載の燃料電池スタックの検査方法であって、
   前記第２の工程は、前記複数の発電体と前記複数のセパレータのうち前記積層位置のズレが発生している前記発電体と前記セパレータの少なくとも一方を、前記特定の貫通穴の各々において計測される光量に基づいて特定する工程を含む検査方法。

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