JP6032804B2 - 燃料電池スタックの自動積層整列装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池スタックの自動積層整列装置及び方法に係り、より詳しくは、燃料電池スタックを構成する各部品の積層整列状態を、蛍光物質を用いて正確に整列できるようにした燃料電池スタックの自動積層整列装置及び方法に関する。
燃料電池スタックは、燃料電池自動車の主なエネルギー源の電気を生産する一種の発電装置であって、電極膜アセンブリーを隔てて水素が供給される燃料極と、空気が供給される空気極とが積層された構造を有し、空気中の酸素と外部から供給された水素が化学的に反応して電気エネルギーを発生させる装置である。燃料電池スタックは、単位となる数十〜数百枚のユニットセルが積層されて構成されるものである。図３を参照して１つのユニットセル構成を説明する。
最も内側に電極膜接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置する。この電極膜接合体は、水素陽イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる高分子電解質膜１０と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、すなわち空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１２及び燃料極（ａｎｏｄｅ）１４とで構成される。電極膜の外側部分すなわち空気極１２及び燃料極１４が位置する外側部分には、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）１６が積層される。ガス拡散層１６の外側には燃料が供給されて反応により発生した水を排出する流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）が形成された分離板２０が、ガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）１８を隔てて設けられる。最も外側には、各構成物を支持及び固定するためのエンドプレート（Ｅｎｄ ｐｌａｔｅ）３０が結合される。
これにより、燃料電池スタックの燃料極１４では、水素の酸化反応により水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生し、この時に生成された水素イオンと電子はそれぞれ電解質膜１０と分離板２０を介して空気極１２に移動する。空気極１２では、燃料極１４から移動してきた水素イオンと電子、空気中の酸素の電気化学反応により、水を生成すると共に電子の流れから電気エネルギーが生成される。
上述のように、燃料電池スタックは、数百枚の分離板と電極膜アセンブリーなどが積層されたものであって、その積層整列状態が正確でない場合は、反応ガスの漏出及びセル性能の低下という問題が生じる。この問題を解消するために、従来は、電極膜接合体と分離板の積層時の配列を均一に行われるようにするため、電極膜接合体のガス及び冷却水流路が、分離板の各マニホールド部に正確に一致するように別のガイドラインを分離板に適用する方法が用いられてきた。しかし過度なガイドラインは、電極膜接合体（ＭＥＡ）の積層時に薄い電極膜接合体の皺及び歪み現象を引き起こすことがある。
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、電極膜接合体及び分離板の所定位置に蛍光物質を塗布して電極膜接合体及び分離板を順次自動積層する時、蛍光物質感知センサで蛍光物質を検出する動作を自動で行われるようにして、電極膜接合体及び分離板の積層配列が正確になされるようにした燃料電池スタックの自動積層整列装置及び方法を提供することにある。
本発明による燃料電池スタックの自動積層整列装置は、相互積層される電極膜接合体及び分離板の所定位置に塗布された蛍光物質と、相互積層される電極膜接合体及び分離板の上端周辺位置に配置されて蛍光物質を感知する蛍光物質感知センサと、前記蛍光物質感知センサで蛍光物質を感知したか否かにより、電極膜接合体及び分離板の積層整列状態に対する良好または不良を判定する制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。
前記蛍光物質は電極膜接合体の対角方向隈位置及び分離板の対角方向隈位置に塗布されることを特徴とする。
前記蛍光物質は電極膜接合体のガス及び冷却水流路の周辺位置と、分離板のガス及び冷却水マニホールド周辺位置に形成されることを特徴とする。
本発明による燃料電池スタックの自動積層整列方法は、燃料電池スタックの電極膜接合体のガス及び冷却水流路を打抜き切断する工程で、電極膜接合体の対角方向隈位置に蛍光物質を塗布する段階と、分離板のガス及び冷却水マニホールドを打抜き加工する工程で、分離板の対角方向隈位置に蛍光物質を塗布する段階と、蛍光物質が塗布された電極膜接合体及び分離板を相互積層する時、蛍光物質感知センサで蛍光物質を感知する場合、電極膜接合体及び分離板間の積層整列状態を良好と判定する段階と、を含むことを特徴とする。
前記蛍光物質感知センサで蛍光物質を感知しない場合、電極膜接合体及び分離板間の積層整列状態を不良と判定し、再積層のための制御部の警告が行われる段階をさらに含むことを特徴とする。
本発明によれば、電極膜接合体及び分離板の所定位置に蛍光物質を塗布して電極膜接合体及び分離板などを順次自動積層する時、蛍光物質感知センサで蛍光物質を検出することにより、電極膜接合体及び分離板などの積層配列が正確になされる。特に、電極膜接合体及び分離板が正確に積層されることにより、電極膜接合体のガス及び冷却水流路と分離板のガス及び冷却水マニホールドが正確に一致するようになり、ガスケットによる気密が確保されるため、スタックに提供されるガス及び冷却水などの漏出の危険を減少させ均一なスタック性能が得られる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明は、数十〜数百枚の燃料電池セルを積層して組み立てる時、電極膜接合体及び分離板などの各部品が互いに正確に積層配列されるようにする点に主眼点がある。そのために、図１及び図２に示すように、燃料電池スタックを構成する各電極膜接合体１００及び分離板２０の所定位置に蛍光物質５０が塗布される。
電極膜接合体１００は、水素陽イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる高分子電解質膜１０と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、すなわち空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１２及び燃料極（ａｎｏｄｅ）１４で構成される。電極の役割をする空気極及び燃料極の両側の位置には、空気または水素などのガスの流れを許して空気極及び燃料極でガスの流れを誘導する水素通路１０２及び空気通路１０４が形成されている。また、水素通路１０２及び空気通路１０４の間には、スタックの冷却のための冷却水通路１０６が貫通形成されている。
電極膜接合体１００の空気極１２及び燃料極１４の両側の位置に水素通路１０２、空気通路１０４、冷却水通路１０６を含むガス及び冷却水流路１０２、１０４、１０６を打抜き切断する工程で、電極膜接合体１００の対角方向隈位置に蛍光物質５０を塗布する段階が共に行われる。より詳しくは、蛍光物質５０は電極膜接合体１００の対角方向隈位置、好ましくは電極膜接合体１００のガス及び冷却水流路１０２、１０４、１０６の周辺位置に塗布される。また、分離板２０にも蛍光物質５０が塗布されるが、分離板２０の製作工程で、ガス及び冷却水マニホールドを打抜き加工する過程で分離板の対角方向隈位置、好ましくは分離板２０のガス及び冷却水マニホールド２２、２４、２６の周辺位置に塗布される。
一方、相互積層される電極膜接合体１００及び分離板２０の上端周辺位置には電極膜接合体１００または分離板２０に塗布された蛍光物質５０を感知する蛍光物質感知センサ５２が配置される。また、本発明の燃料電池スタックの自動積層整列装置は、蛍光物質感知センサ５２の感知信号を受信して電極膜接合体１００及び分離板２０の積層整列状態に対する良好または不良を判定する制御部５４をさらに含む。
前記構成に基づいて本発明の燃料電池スタック自動積層整列方法を説明する。電極膜接合体１００の製造時に蛍光物質５０がガス及び冷却水流路１０２、１０４、１０６の周辺位置に塗布され、分離板２０の製造時にガス及び冷却水マニホールド２２、２４、２６の周辺位置に蛍光物質５０が塗布された状態で、電極膜接合体１００及び分離板２０の間の積層組み立てが行われる。電極膜接合体１００の上に分離板２０を積層する時、蛍光物質感知センサ５２で電極膜接合体１００に塗布された蛍光物質５０を感知し、次に、分離板２０の上に電極膜接合体１００を積層する時、蛍光物質感知センサ５２で分離板２０に塗布された蛍光物質５０を感知する場合、制御部５４では電極膜接合体１００と分離板２０が正確に相互積層配列されたと判定する。
すなわち、電極膜接合体１００の水素通路１０２、空気通路１０４、冷却水通路１０６を含むガス及び冷却水流路１０２、１０４、１０６と、分離板２０の水素マニホールド２２、空気マニホールド２４、冷却水マニホールド２６を含むガス及び冷却水マニホールド２２、２４、２６が互いに正確に一致したと判定する。したがって、電極膜接合体１００及び分離板２０などが互いに正確に積層されることにより、電極膜接合体１００のガス及び冷却水流路１０２、２０４、１０６と分離板２０のガス及び冷却水マニホールド２２、２４、２６が正確に一致し、ガスケットによる気密が容易に確保されるため、スタックに提供されるガス及び冷却水などの漏出の危険を減少させ、均一なスタック性能が得られる。一方、蛍光物質感知センサ５２で蛍光物質５０を感知しない場合、電極膜接合体１００及び分離板２０の間の積層整列状態を不良と判定し、再積層のための制御部５４の警告により再積層のための後続工程に進むようにする。
本発明は、燃料電池スタックを構成する各部品の積層整列状態が正確かどうかを判定することができる自動積層整列装置及び方法として好適である。
１０ 電解質膜
１２ 空気極
１４ 燃料極
１６ ガス拡散層
１８ ガスケット
２０ 分離板
２２ 水素マニホールド
２４ 空気マニホールド
２６ 冷却水マニホールド
３０ エンドプレート
５０ 蛍光物質
５２ 蛍光物質感知センサ
５４ 制御部
１００ 電極膜接合体
１０２ 水素通路
１０４ 空気通路
１０６ 冷却水通路
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Claims (5)
- 相互積層される電極膜接合体（１００）及び分離板（２０）の所定位置に塗布された蛍光物質（５０）と、
相互積層される電極膜接合体（１００）及び分離板（２０）の上端周辺位置に配置されて蛍光物質（５０）を感知する蛍光物質感知センサ（５２）と、
蛍光物質感知センサ（５２）で蛍光物質（５０）を感知したか否かにより、電極膜接合体（１００）及び分離板（２０）の積層整列状態に対する良好または不良を判定する制御部（５４）と、を含んで構成されることを特徴とする燃料電池スタックの自動積層整列装置。
- 蛍光物質（５０）は、電極膜接合体（１００）の対角方向隈位置及び分離板（２０）の対角方向隈位置に塗布されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの自動積層整列装置。
- 蛍光物質（５０）は、電極膜接合体（１００）のガス及び冷却水流路（１０２、１０４、１０６）の周辺位置と、分離板（２０）のガス及び冷却水マニホールド（２２、２４、２６）の周辺位置に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタックの自動積層整列装置。
- 燃料電池スタックの電極膜接合体のガス及び冷却水流路を打抜き切断する工程で、電極膜接合体の対角方向隈位置に蛍光物質を塗布する段階と、
分離板のガス及び冷却水マニホールドを打抜き加工する工程で、分離板の対角方向隈位置に蛍光物質を塗布する段階と、
蛍光物質が塗布された電極膜接合体及び分離板を相互積層する時、蛍光物質感知センサで蛍光物質を感知する場合、電極膜接合体及び分離板間の積層整列状態を良好と判定する段階と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの自動積層整列方法。
- 前記蛍光物質感知センサで蛍光物質を感知しない場合、電極膜接合体及び分離板間の積層整列状態を不良と判定し、再積層のための制御部の警告が行われる段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタックの自動積層整列方法。
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