JP6221680B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、主に膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ 以下ＭＥＡと記載）の両側にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層させて構成される。燃料電池には電気を生じさせるための燃料、酸化剤等を流通させる必要があり、隣接するＭＥＡやセパレータとは燃料や酸化剤をシールするためにＭＥＡやセパレータの外周にシール剤が塗布される。また、セパレータやＭＥＡには貫通穴が形成され、セパレータとＭＥＡとを積層することによって上記貫通穴が燃料や酸化剤を積層方向に流通させる流路となる。

セパレータとＭＥＡの積層の態様によっては、貫通穴のつながりが連続的でなくなって燃料や酸化剤を円滑に流通させにくくなる場合があるため、セパレータとＭＥＡとの積層には当然精度が要求される。セパレータとＭＥＡとの積層の精度を向上させる手段のひとつには、積層時にセパレータとＭＥＡとを接着するシール剤がはみ出し、組立て治具に付着することによって積層の精度が低下しないように、セパレータの縁部において当該縁部からセルの面内方向に突出し燃料電池組立て時に組立て治具の基準部に当てられる先端部を有する突起を形成する技術がある。（特許文献１参照）。

特開２００４−３６３０７３号公報

セパレータと隣接するセパレータ、又はＭＥＡと、をシールするシール剤は一般に接着剤などの液体であることがほとんどである。また、燃料電池の積層数はセパレータやＭＥＡからなる燃料電池セルを数百セル程度積層させて構成する。シール剤の硬化には１時間程度が必要となる。そのため、シール剤の硬化を待っていたのでは量産時の生産性を満足することができない。また、時間を優先させて迅速に成形しようとすると、積層している最中にシール剤の硬化が完了しない。そのため、積層している最中に積層されたセパレータなどが若干ずれてしまい、積層の精度とサイクルタイムとを両立させることが困難であるといった問題がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を構成するセパレータとＭＥＡの積層における精度とサイクルタイムの両立が可能な燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、ＭＥＡの両面にセパレータを配置してなる燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池の製造方法である。上記製造方法は、積層時におけるＭＥＡの発電領域よりも外方であって、隣接するセパレータ同士の間又は隣接するセパレータとＭＥＡとの間において隣接するセパレータ同士の外周又は隣接するセパレータとＭＥＡの外周をシールするシール部材を配置するシール部材配置工程と、発電領域よりも外方かつシール部材を配置した位置よりも内方であって、隣接するセパレータ同士の間、又は隣接するセパレータとＭＥＡとの間において隣接するセパレータ同士又は隣接するセパレータとＭＥＡとの位置決めを行ない、前記シール部材よりも硬化時間が短い位置決め部材を配置する位置決め部材配置工程と、を有する。また、上記目的を達成する他の本発明は、ＭＥＡの両面にセパレータを配置してなる燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池の製造方法である。上記製造方法は、積層時におけるＭＥＡの発電領域よりも外方であって、隣接する前記セパレータ同士の間、又は隣接する前記セパレータとＭＥＡとの間において隣接するセパレータ同士の外周又は隣接するセパレータ又はＭＥＡの外周をシールするシール部材を配置するシール部材配置工程と、発電領域よりも外方かつシール部材を配置した位置よりも内方であって、隣接するセパレータ同士の間、又は隣接するセパレータとＭＥＡとの間において隣接するセパレータ同士又は隣接するセパレータとＭＥＡとの位置決めを行なう位置決め部材を配置する位置決め部材配置工程と、ＭＥＡにおいてセパレータを積層する際の位置決め基準を形成する位置決め基準作成工程と、をさらに有する。位置決め基準作成工程は、ＭＥＡを隣接する前記セパレータに位置決めして配置した後に行われる。

上記構成を有する本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、シール部材に加えて隣接するセパレータ同士又は隣接するセパレータとＭＥＡとの位置決めを行ない、前記シール部材よりも硬化時間が短い位置決め部材を配置し、シール部材が位置決め部材よりも外方に配置されるように構成している。このように位置決め部材を配置することによって、シール部材が硬化する前に隣接するセパレータ同士又は隣接するセパレータとＭＥＡとの位置を迅速に固定することができる。また、位置決め部材はシール部材よりも内方に配置するように構成したため、位置決め部材が外部に漏出することはなく、セパレータと隣接するセパレータ又はＭＥＡとの位置決めが不十分になることもない。よって、セパレータとＭＥＡとの積層における積層の精度とサイクルタイムとを両立させることができる。また、上記とは別に、シール部材に加えて隣接するセパレータ同士又は隣接するセパレータとＭＥＡとの位置決めを行なう位置決め部材を配置し、ＭＥＡを隣接するセパレータに位置決めして配置した後に膜電極接合体においてセパレータを積層する際の位置決め基準を形成することによっても、上記積層の精度とサイクルタイムを両立させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法を構成する積層体の積層について示す工程ブロック図である。 同積層体の積層について示すフローチャートである。 図２（Ａ）から図２（Ｆ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法を示す概略説明図である。 図３（Ａ）は同実施形態に係る燃料電池の製造装置を示す斜視図、図３（Ｂ）は正面図である。 同製造装置における上部構造物及び塗布部を取り除いた状態での平面図である。 図５（Ａ）はセパレータにシール部材及び位置決め部材を塗布した状態を示す正面図、図５（Ｂ）はＭＥＡにシール部材及び位置決め部材を塗布した状態を示す正面図である。 図６（Ａ）から図６（Ｄ）は同製造装置を構成するＭＥＡ用ロボットアームを示す正面図、側面図、平面図、及び斜視図である。 図７（Ａ）から図７（Ｄ）は同製造装置を構成するセパレータ用ロボットアームを示す正面図、側面図、平面図、及び斜視図である。 燃料電池を示す斜視図である。 同燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 燃料電池の一部を示す分解斜視図である。 同燃料電池のセルを構成するセパレータ及びＭＥＡを示す断面図である。 同実施形態に係る燃料電池に係る製造方法におけるセパレータ設置工程を説明する説明図である。 同製造方法におけるシール部材配置工程及び位置決め部材配置工程を示す説明図である。 同製造方法におけるＭＥＡ設置工程を示す説明図である。 同製造方法におけるシール部材配置工程及び位置決め部材配置工程を示す説明図である。 同製造方法における位置決め部材硬化工程及び位置決め基準作成工程を示す説明図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１Ａは本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法を構成する積層体の積層について示す工程ブロック図、図１Ｂは同積層体の積層について示すフローチャート、図２（Ａ）から図２（Ｆ）は本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法を示す概略説明図、図３（Ａ）は同実施形態に係る燃料電池の製造装置を示す斜視図、図３（Ｂ）は正面図、図４は同製造装置における上部構造物及び塗布部を取り除いた状態での平面図である。図５（Ａ）はセパレータにシール部材及び位置決め部材を塗布した状態を示す正面図、図５（Ｂ）はＭＥＡにシール部材及び位置決め部材を塗布した状態を示す正面図である。図６（Ａ）から図６（Ｄ）は同製造装置を構成するＭＥＡ用ロボットアームを示す正面図、側面図、平面図、及び斜視図、図７（Ａ）から図７（Ｄ）は同製造装置を構成するセパレータ用ロボットアームを示す正面図、側面図、平面図、及び斜視図である。

本実施形態に係る燃料電池は、ＭＥＡの両側にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層して構成される。本実施形態に係る燃料電池の製造方法について図面を参照して概説すれば、セパレータを配置してシール部材を配置し、シール部材よりも速乾性の高い位置決め部材を配置する（図１Ａ、１ＢのステップＳＴ１，２，３、図２（Ａ）参照）。そして、ＭＥＡを配置すると、上記で配置した位置決め部材が即座に硬化してセパレータとＭＥＡとが位置決めされる（図１Ａ，１ＢのステップＳＴ５）。そして、さらにシール部材及び位置決め部材を配置し（図１のステップＳＴ６，７、図２（Ｂ）参照）、シール部材を硬化させる（図１のステップＳＴ８、図２（Ｃ）参照）。さらにＭＥＡに位置決め基準を作成し（図１のステップＳＴ１０）、所定の積層枚数積層するまで積層を続ける（図２（Ｅ）、（Ｆ）参照）。

上記工程の中でも、シール部材配置工程は、図２（Ａ）や図５（Ａ）、５（Ｂ）に示すように燃料電池１００を構成するＭＥＡ１１やセパレータ１３，１４を積層する際に発電が行われる発電領域よりも外方であって、セパレータ１３，１４やＭＥＡ１１の積層方向においてセパレータ１３と隣接するセパレータ１４との間、又はセパレータ１３（１４）と隣接するＭＥＡ１１との間にセパレータ１３と隣接するセパレータ１４、又はＭＥＡ１１の外周をシールするシール部材３０を配置する。また、位置決め部材配置工程は、図２（Ａ）や図５（Ａ）、５（Ｂ）に示すように、ＭＥＡ１１における発電領域よりも外方であって、シール部材３０が配置された範囲よりも内方にセパレータ１３と隣接するセパレータ１４又はＭＥＡ１１との間に隣接する部材の位置決めを行なう位置決め部材４０を配置する。本実施形態では、セパレータ１３とセパレータ１４とが予め接合されてセパレータアセンブリ１２として構成されているが、これに限定されない。詳細は後述する。

次に本実施形態に係る製造方法を使用する燃料電池の製造装置について説明する。燃料電池の製造装置２００は、シール部材３０及び位置決め部材４０の塗布部２１０、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０と、セパレータ用ロボットアーム２３０と、接着剤硬化用クランプ２４０と、上記構成部材の設置部２５０と、を有する。

塗布部２１０は、シール部材３０を塗布する塗布機２１１と、位置決め部材４０を塗布する塗布機２１２と、を有する。塗布部２１０は、例えばガンの形状をしたインジェクションタイプのものを挙げることができるが、これに限定されない。塗布部２１０は、設置部２５０の構成要素である上部壁２５２に設置されたアーム（不図示）に上下左右方向に移動可能に取り付けられている。

ＭＥＡ用ロボットアーム２２０は、図６（Ａ）から図６（Ｄ）に示すように、移動アーム２２１、２２２と、保持部材２２３、２２４と、カッター２２５と、カメラ２２６と、搬送部材２２７と、を有する。

移動アーム２２１は、保持部材２２３の上部に上下方向に移動可能に取り付けられている。移動アーム２２２は、保持部材２２３の下部に上下方向に移動可能に取り付けられている。保持部材２２３は、移動アーム２２１、２２２が移動するためのレールなどを備えている。移動アーム２２１、２２２が上下方向に移動することによって、移動アーム２２１、２２２は接近離間し、ＭＥＡ１１の把持及び把持の解除が行われる。また、移動アーム２２１、２２２の高さは、セパレータ１３と隣接するセパレータ１４又はＭＥＡ１１との間の間隔と同一に設定されており、これによって位置決め部材４０を硬化させる際の隙間ゲージとして機能するようにも構成されている。

保持部材２２４は、移動アーム２２１、２２２及び保持部材２２３を図６（Ｂ）の左右方向に移動可能に保持する。保持部材２２４が図６（Ｂ）の左右方向に移動可能であることによって、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０をワークであるＭＥＡ１１に対して面方向に接近離間させることができ、ＭＥＡ１１を把持した状態で搬送部材２２７の方向へ移動させれば、ＭＥＡ１１を長辺方向に引っ張った状態にすることができる。

カッター２２５は、移動アーム２２１の先端に取り付けられる。カッター２２５は、移動アーム２２１と独立に移動する。これによって、移動アーム２２１、２２２はＭＥＡ１１を把持でき、さらに把持後にカッター２２５を動作させることによってＭＥＡ１１の端部をカットして図５（Ｂ）に示すように隣接するセパレータ１３，１４との位置合わせ部位となる切り欠き１１ｄを形成することができる。

カメラ２２６は、保持部材２２３に取り付けられている。カメラ２２６は、ワークであるＭＥＡ１１を撮影してＭＥＡ１１との距離を算出し、不図示の制御部に送信する。カメラ２２６によって求められたＭＥＡ１１との距離に基づいてＭＥＡ用ロボットアーム２２０の位置の調整が行われる。

搬送部材２２７は、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０を設置台２５１のレール２５２〜２５５のいずれかに沿って面方向に移動させる。搬送部材２２７には移動のための不図示のローラーなどが設けられ、ローラーが設置台２５１に形成されたレール２５２〜２５５のいずれかに沿って移動することによってＭＥＡ用ロボットアーム２２０の移動が行われる。本実施形態においてＭＥＡ用ロボットアーム２２０は、図４に示すように、ＭＥＡ１１を把持する辺の方向に沿ってＭＥＡ用ロボットアーム２２０ａ，２２０ｂとＭＥＡ用ロボットアーム２２０ｃ，２２０ｄとが対向して配置して構成している。ＭＥＡ用ロボットアーム２２０ａと２２０ｂ、及びＭＥＡ用ロボットアーム２２０ｃと２２０ｄは、搬送部材２２７によって互いに離れるように移動させれば、ＭＥＡ１１を当該方向に引っ張ることができる。なお、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０ａから２２０ｄは、設置した台数に応じてアルファベットを付したのみで、構成は同様である。

セパレータ用ロボットアーム２３０は、図７（Ａ）から図７（Ｄ）に示すように、移動アーム２３１、２３２と、保持部材２３３、２３４と、位置合わせ部２３５と、カメラ２３６と、搬送部材２３７と、を有する。

移動アーム２３１、２３２は、移動アーム２２１、２２２と同様の構成であり、保持部材２３３に取り付けられることによって、接近離間し、セパレータ１３，１４の把持及び把持の解除を行う。保持部材２３３は、保持部材２２３と同様の構成であり、移動アーム２３１、２３２を上下方向に移動可能に保持する。また、移動アーム２３１，２３２の高さについても移動アーム２２１、２２２と同様に、セパレータ１３と隣接するセパレータ１４又はＭＥＡ１１との間隔と同一に設定され、位置決め部材４０の硬化の際の隙間ゲージとして機能するように構成されている。

保持部材２３４は、保持部材２２４と同様の構成であり、移動アーム２３１、２３２、及び保持部材２３３を図７（Ｂ）の左右方向に移動可能に保持する。位置合わせ部２３５は、セパレータ１３，１４との位置合わせを行なう。セパレータ１３，１４には、精度よく積層を行うためにセパレータ用ロボットアーム２３０への位置合わせを行なうにあたって、図５（Ａ）に示すように切り欠き１３ａ、１４ａが設けられている。位置あわせ部２３５は、切り欠き１３ａ、１４ａと合致し、これによってセパレータ１３，１４がセパレータ用ロボットアーム２３０に位置合わせされる。位置合わせ部２３５は、セパレータ１３、１４の切り欠き１３ａ、１４ａに対応して三角柱のような凸型の形状をしている。

カメラ２３６は、移動アーム２３１に設けられて周囲を撮像し、撮像結果を送信する。制御部は、撮像結果を画像解析してセパレータの形状を特定してセパレータ用ロボットアーム２３０との距離を算出し、セパレータ用ロボットアーム２３０を移動させてセパレータとの距離を調整する。

搬送部材２３７は、搬送部材２２７と同様にセパレータ用ロボットアーム２３０を設置台２５１のレール２５２〜２５５に沿って面方向に移動させる。また、セパレータ用ロボットアーム２３０においても、セパレータアセンブリ１２を把持する辺の方向に沿ってセパレータ用ロボットアーム２３０ａ、２３０ｂとセパーレタ用ロボットアーム２３０ｃ，２３０ｄとが対向して配置して構成している。なお、セパレータ用ロボットアーム２３０ａから２３０ｄについても設置した台数に応じてアルファベットを付したのみで、構成は同様である。

接着剤硬化用クランプ２４０は、図４や図１２などに示すように、クランプ２４１と、支持部２４２から２４５と、を有する。クランプ２４１には挟持機能だけでなく、クランプ自体を冷却する機能もあり、これにより位置決め部材４０の硬化が促進される。支持部２４２から２４５はクランプ２４１を上下方向に移動可能に支持する棒状の部材である。

設置部２５０は、燃料電池の製造装置の構成部品をする構成であり、設置台２５１と、上部設置構造物２５２と、を有する。設置台２５１は、ワークであるセパレータアセンブリ１２やＭＥＡ１１、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０．セパレータ用ロボットアーム２３０を設置する構造物である。設置台２５１には図４に示すようにレール２５２、２５３、２５４，２５５が形成されている。レール２５２、２５３はＭＥＡ用ロボットアーム２２０、及びセパレータ用ロボットアーム２３０がセパレータアセンブリ１２やＭＥＡ１１を把持する際にＭＥＡ用ロボットアーム２２０やセパレータ用ロボットアーム２３０が位置する。レール２５４、２５５は、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０又はセパレータ用ロボットアーム２３０が他方のロボットアームにワークを把持させる際に暫定的に退避する部位などとして使用される。上部設置構造物２５２は、不図示の支柱などに支持された設置台２５１と同様の構造物である。上部設置構造物２５２は、塗布部２１０を取り付けたり、設置台２５１におけるレール２５２〜２５５と同様にＭＥＡ用ロボットアーム２２０及びセパレータ用ロボットアーム２３０が移動できるレールを有している。

また、制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどによって構成され、塗布部２１０やＭＥＡ用ロボットアーム２２０、セパレータ用ロボットアーム２３０、及び接着剤硬化用クランプ２４０の動作を制御する。

次に上記製造装置によって製造される燃料電池について説明する。図８は燃料電池を示す斜視図、図９は同燃料電池の構成を示す分解斜視図、図１０は同燃料電池の一部を示す分解斜視図、図１１は同燃料電池の燃料電池セルを構成するセパレータ及びＭＥＡを示す断面図である。燃料電池１００は、燃料電池セル１０ａを複数積層した積層体１０を主要な構成要素として有している。燃料電池セル１０ａは、ＭＥＡ１１の両側面にセパレータアセンブリ１２を配置して構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂ、もう片側にカソード１１ｃが接合されている。セパレータアセンブリ１２は、２枚のセパレータ１３，１４を有する。また、積層体１０の積層方向における両端部には集電板１６，１７が設けられている。また、燃料電池１００は、筐体２０を有している。筐体２０は、一対の締結板２１、２２と補強板２３、２４、及びエンドプレート２５，２６を有している。

セパレータ１３，１４は、図５（Ａ）や図１１に示し、積層された複数の燃料電池セル１０ａにおいて隣り合うＭＥＡ１１を隔離しつつ、ＭＥＡ１１で発生した電力を通電させている。セパレータ１３，１４は、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４とに分類される。アノード側セパレータ１３は、ＭＥＡ１１のアノード１１ｂに当接させている。アノード側セパレータ１３は、導電性材料を有する金属からなり、アノード１１ｂよりも大きい薄板状に形成している。セパレータ１３，１４はまとめてセパレータアセンブリ１２と称することもある。

アノード側セパレータ１３の中央には、図１１に示すように、燃料ガス（水素）と冷却水等の冷却流体とを隔てて流す流路を構成するように複数の凹凸を一定の間隔で形成した波形形状１３ｇを設けている。アノード側セパレータ１３は、凹凸形状のうち、アノード１１ｂと接触して形成された閉空間を、アノード１１ｂに対して水素を供給するアノードガス流路１３ｈとして用いている。一方、アノード側セパレータ１３は、断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１３ｇと、カソード側セパレータ１４の波形形状１４ｇとの間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１３ｊ（１４ｊ）として用いている。

アノード側セパレータ１３は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１３ａ、冷却流体供給口１３ｂ、およびアノードガス供給口１３ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、アノード側セパレータ１３は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１３ｄ、冷却流体排出口１３ｅ、およびカソードガス排出口１３ｆに相当する貫通孔を開口している。

カソード側セパレータ１４は、ＭＥＡ１１のカソード１１ｃに当接している。カソード側セパレータ１４は、導電性材料を有する金属からなり、カソード１１ｃよりも大きい薄板状に形成している。

カソード側セパレータ１４の中央には、図１１に示すように、酸化剤ガス（酸素を含有した空気または純酸素）と冷却水とを隔てて流す流路部を構成するように断面が複数の凹凸形状からなる波形形状１４ｇを設けている。カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、カソード１１ｃと接触して形成された閉空間を、カソード１１ｃに対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１４ｈとして用いている。一方、カソード側セパレータ１４は、凹凸形状のうち、アノード側セパレータ１３との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路１４ｊ（１３ｊ）として用いている。

カソード側セパレータ１４は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１４ａ、冷却流体供給口１４ｂ、およびアノードガス供給口１４ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、カソード側セパレータ１４は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１４ｄ、冷却流体排出口１４ｅ、およびカソードガス排出口１４ｆに相当する貫通孔を開口している。セパレータ１４はセパレータ１３と接合され、供給口１４ａ〜１４ｃ及び排出口１４ｄ〜１４ｆはセパレータ１３の供給口１３ａ〜１３ｃ及び排出口１３ｄ〜１３ｆと連通する。また、セパレータ１３、１４には、図４（Ａ）に示すように、外周の一部に積層時の位置決め形状として切り欠き１３ｋ、１４ｋが形成されている（図９、図１０では便宜上省略している）。

ＭＥＡ１１は、図５（Ｂ）や図１１に示し、供給された酸素と水素を化学反応させて電力を生成する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの片側にアノード１１ｂを接合し、もう一方の側にカソード１１ｃを接合して形成している。電解質膜１１ａは、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。

固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。アノード１１ｂは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜１１ａよりも若干小さい薄板状に形成している。カソード１１ｃは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード１１ｂと同様の大きさで薄板状に形成している。

アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード１１ｂおよびカソード１１ｃのガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。

ＭＥＡ１１は、フレーム部材１５を備えている。フレーム部材１５は、積層した電解質膜１１ａ、アノード１１ｂ、およびカソード１１ｃの外周を一体に保持している。フレーム部材１５は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂からなり、セパレータ１３，１４の外周部分の外形形状と同様の外形形状で形成している。フレーム部材１５は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１５ａ、冷却流体供給口１５ｂ、およびアノードガス供給口１５ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、フレーム部材１５は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口１５ｄ、冷却流体排出口１５ｅ、およびカソードガス排出口１５ｆに相当する貫通孔を開口している。また、ＭＥＡ１１のフレーム部材１５には、積層時に隣接するセパレータ１３，１４との位置合わせを行なうための形状として図５（Ｂ）に示すような切り欠き１１ｄが後述する製造工程の際に形成される（図９、図１０では図示の便宜上省略している）。また、平面視した際のセパレータ１３，１４の波形形状１３ｇ、１４ｇとＭＥＡ１１の部分は発電が行われる発電領域に当る。

上記の燃料電池セル１０ａは、互いに密封した状態で複数積層する必要がある。このため、積層する燃料電池セル１０ａの中でもＭＥＡ１１とセパレータ１３及びセパレータ１４との間及びセパレータ１３とセパレータ１４との間は、外周にシール部材３０を塗布することによって封止している。シール部材３０は、たとえば、熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂は、たとえば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等から選択する。また、後述する積層の際に隣接するセパレータ１３、１４又は隣接するセパレータ１３とＭＥＡ１１との位置決めを行なう位置決め部材４０は短時間で隣接する部材を接着する必要性から、シール部材３０よりも硬化時間の速い瞬間接着剤によって構成している。本実施形態において瞬間接着剤は、シアノアクリレート系接着剤などから構成されるが、これに限定されない。また、瞬間接着剤などから構成される位置決め部材の硬化時間は長くても５分程度である。

一対の集電板１６，１７は、図９に示し、燃料電池セル１０ａで生成された電力を外部に取り出す。

一対の集電板１６，１７は、燃料電池セル１０ａが複数積層された積層体１０の両端にそれぞれ配設している。一対の集電板１６，１７の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を少し厚くしたＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。一対の集電板１６，１７は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口１６ａ、１７ａ、冷却流体供給口１６ｂ、１７ｂ、およびアノードガス供給口１６ｃ、１７ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、長手方向の他端には、アノードガス排出口１６ｄ、１７ｄ、冷却流体排出口１６ｅ、１７ｅおよびカソードガス排出口１６ｆ、１７ｆに相当する貫通孔を開口している。一対の集電板１６、１７は、その中央に集電部１６ｈ（集電板１７についても同様）を備えている。

一対の集電板１６，１７の集電部１６ｈ等は、たとえば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材からなり、アノード１１ｂおよびカソード１１ｃの外形よりも若干小さい薄板状に形成している。一対の集電部１６ｈ等は、複数積層した最外層の燃料電池セル１０ａに設けたＭＥＡ１１のアノード１１ｂまたはカソード１１ｃに当接している。集電部１６ｈ等は、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部１６ｇ等を突出して設けている。突起部１６ｇ等は、後述する筺体２０の一対のエンドプレート２５、２６の貫通孔２５ｇ等を挿通して、外部に臨んでいる。また、集電板１６の突起部１６ｇに当る形状は集電板１７についても同様に設けられている。

筺体２０は、図９に示し、複数積層した燃料電池セル１０ａおよび一対の集電板１６，１７を互いに密着させた状態で保持している。

筺体２０は、上記のように一対の締結板２１、２２、一対の補強板２３，２４、および一対のエンドプレート２５，２６、及びネジ２７を含んでいる。以下、筺体２０に含まれた各部材について説明する。

一対のエンドプレート２５，２６は、複数積層された燃料電池セル１０ａの両端に配設した一対の集電板１６，１７を挟持して付勢している。一対のエンドプレート２５，２６の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を増したＭＥＡ１１のフレーム部材１５と同様である。一対のエンドプレート２５，２６は、たとえば、金属からなり、一対の集電板１６，１７と当接する部分に絶縁体を設けている。

一対のエンドプレート２５，２６は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口２５ａ、２６ａ、冷却流体供給口２５ｂ、２６ｂ、およびアノードガス供給口２５ｃ、２６ｃに相当する貫通孔を開口している。同様に、その長手方向の他端には、アノードガス排出口２５ｄ、２６ｄ、冷却流体排出口２５ｅ、２６ｅおよびカソードガス排出口２５ｆ、２６ｆに相当する貫通孔を開口している。

セパレータ１３，１４、フレーム部材１５、集電板１６，１７、及びエンドプレート２５，２６のカソードガス供給口１３ａ〜１７ａ、２５ａ、２６ａ、冷却流体供給口１３ｂ〜１７ｂ、２５ｂ、２６ｂ、アノードガス供給口１３ｃ〜１７ｃ、２５ｃ、２６ｃ、アノードガス排出口１３ｄ〜１７ｄ、２５ｄ、２６ｄ、冷却流体排出口１３ｅ〜１７ｅ、２５ｅ、２６ｅ、及びカソードガス排出口１３ｆ〜１７ｆ、２５ｆ、２６ｆは、セパレータ１３，１４、ＭＥＡ１１、集電板１６，１７、及びエンドプレート２５，２６を位置合わせした際に連通するように構成されている。一対のエンドプレート２５，２６は、前述した一対の集電板１６，１７の突起部１６ｇ等を挿通させる貫通孔２５ｇ、２６ｇを有している。

一対の締結板２１、２２は、たとえば、金属からなり、板状に形成している。一対の締結板２１、２２は、縁部が一部立ち上げて形成されており、組み付けた際に一対のエンドプレート２５、２６の面と接触する。また、締結板２１，２２においてエンドプレート２５，２６と接触する面にはネジ２７を挿通させる穴が設けられており、当該穴に取り付けたネジ２７を締め付けることによってエンドプレート２５、２６、集電板１６，１７、及び積層体１０が積層方向に加圧される。

一対の補強板２３、２４は、たとえば、金属からなり、一対の締結板２１、２２よりも細長い板状に形成している。一対の補強板２３、２４は、長手方向における端部が一部立ち上げて形成されており、当該部分にはネジ２７を挿通させる穴が設けられている。当該穴はネジ２７を積層方向に通すように形成されており、ネジ２７を取り付けて締結することによって、締結板２１，２２と同様にエンドプレート２５，２６、集電板１６，１７、及び積層体１０が積層方向に加圧される。このように、一対の締結板２１、２２および一対の補強板２３、２４は、ネジ２７を締結することによって、エンドプレート２５、２６、集電板１６，１７、及び積層体１０を積層方向に加圧している。

次に本実施形態に係る燃料電池の製造方法について、燃料電池を構成するセパレータとＭＥＡを積層して積層体を形成する工程について説明する。その他の工程については従来と同様の方法を用いるため、説明を省略する。図１２は本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法におけるセパレータ配置工程を示す説明図、図１３は同製造方法におけるシール部材配置工程及び位置決め部材配置工程を示す説明図である。図１４は同製造方法におけるＭＥＡ配置工程を示す説明図、図１５は同製造方法におけるシール部材配置工程及び位置決め部材配置工程を示す説明図、図１６は同製造方法における位置決め部材硬化工程及び位置決め基準作成工程を示す説明図である。本実施形態に係る燃料電池１００を構成する積層体１０の積層は、図１Ａ，１Ｂに示すように、セパレータ又はＭＥＡの配置工程（ステップＳＴ１，５）と、シール部材配置工程（ステップＳＴ２、６）と、位置決め部材配置工程（ステップＳＴ３、７）と、位置決め部材硬化工程（ステップＳＴ８）と、位置決め基準作成工程（ステップＳＴ１０）と、を有する。

まず、セパレータ又はＭＥＡの配置工程において、図２（Ａ）及び図１２に示すように、制御部がセパレータ用ロボットアーム２３０を動作させ、不図示の部品設置場所からセパレータアセンブリ１２を取り出す。その際には、カメラ２３６を使用して位置合わせ部２３５によってセパレータアセンブリ１２を位置合わせして把持し、設置台２５１の設置位置まで搬送し、配置する（図１ＢのステップＳＴ１）。

次にシール部材配置工程において、図５（Ａ）及び図１３に示すように、制御部によって塗布部２１０を動作させ、セパレータアセンブリ１２の外周にシール部材３０を塗布する（図１ＢのステップＳＴ２）。なお、セパレータ１３、１４の外周には切り欠き１３ｋ、１４ｋが設けられているため、切り欠き１３ｋ、１４ｋにシール部材３０を塗布すれば、シール部材３０が設置台２５１に垂れるなどして品質が低下する場合が考えられる。そのため、切り欠き１３ｋ、１４ｋにはシール部材３０を塗布しないように塗布部２１０を制御する。

次に位置決め部材配置工程において、図５（Ａ）及び図１３に示すように、制御部によって塗布部２１０を動作させ、セパレータアセンブリ１２におけるシール部材３０を塗布した部位よりも内方であって発電が起こる領域よりも外方に位置決め部材４０を塗布する（図１ＢのステップＳＴ３）。なお、図１２、１３においてセパレータアセンブリ１２よりも下にはＭＥＡ１１が隣接していないため、シール部材硬化工程は行われないが、ＭＥＡ１１が隣接して配置している場合には後述するように位置決め部材硬化工程が行われる。

所定枚数の積層が終了していない場合（図１ＢのステップＳＴ４：ＮＯ）、積層を継続し、本実施形態では次にＭＥＡ１１を積層する（図１ＢのステップＳＴ５）。ＭＥＡ配置工程では、図２（Ｂ）及び図１４に示すように、制御部によってＭＥＡ用ロボットアーム２２０を動作させ、部品設置場所からＭＥＡ１１を取り出し、カメラ２２６を使用してＭＥＡ１１を把持し、設置台２５１まで搬送する。ＭＥＡ１１は薄膜状の部品であるため、セパレータ１３，１４に比べ皴ができやすい。よって、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０ａ〜２２０ｄによってＭＥＡ１１を引っ張った状態でＭＥＡ１１をセパレータ上に位置決めする。これによって、強度のないＭＥＡであっても皴をつくることなく積層でき、それによって後述するＭＥＡ１１の位置決め基準を精度よく形成できる。そのため、セパレータ１３，１４との位置合わせを高精度に行なうことができる。

次にシール部材配置工程において、図５（Ｂ）及び図１５に示すように、切り欠き１３ｋ、１４ｋを避けながら制御部によって塗布部２１０を制御し、ＭＥＡ１１のフレーム部材１５の周囲にシール部材３０を塗布する（図１ＢのステップＳＴ６）。そして、位置決め部材配置工程において、制御部によって塗布部２１０を制御し、シール部材３０を配置した範囲よりも内方であって発電領域よりも外方に位置決め部材４０を塗布する（図１ＢのステップＳＴ７）。

次に位置決め部材硬化工程において、図５（Ｂ）及び図１６に示すように、クランプ２４１によってワークであるセパレータアセンブリ１２及びＭＥＡ１１を積層方向に押圧する（図１ＢのステップＳＴ８）。この際に、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０は、ＭＥＡ１１をセパレータアセンブリ１２に接近離間させ、セパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１との間隔を所定の値に調整する。

セパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１との間隔が所定の値になったら、当該位置にてクランプ２４１の冷却機構を動作させ、クランプ２４１と接触するＭＥＡ１１の熱を奪って冷却し、シール部材３０及び位置決め部材４０を硬化させる。位置決め部材４０は瞬間接着剤によって構成されているため、数分程度で即座に硬化することができる。そのため、シール部材３０の硬化に時間がかかっても積層したワークの位置を迅速に決めることができ、積層の精度を確保しつつタクトタイムを短縮することができる。

次に、最後に積層した部材がＭＥＡである場合（図１ＢのステップＳＴ９：ＹＥＳ）、位置決め基準作成工程を行う（図１ＢのステップＳＴ１０）。最後に積層した部材がセパレータアセンブリ１２の場合（図１ＢのステップＳＴ９：ＮＯ）、位置決め基準作成工程は行わない。ＭＥＡ１１の位置決め基準作成工程において、図５（Ｂ）に示すように、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０のカッター２２５を動作させ、ＭＥＡ１１に基準となる切り欠き１１ｄを形成する。ＭＥＡ１１を積層する際はセパレータアセンブリ１２を積層する際と異なり、位置決め部材を硬化させた後に位置決め基準を形成する。このようにＭＥＡ１１が隣接するセパレータアセンブリ１２に位置決めされた状態で位置決め基準を形成することによって、皴の生じやすいＭＥＡであっても精度よく位置決め基準を形成することができ、積層時の精度の低下を防止できる。

その後は、燃料電池セル１０ａの積層枚数が所定の数になるまで図１ＢのステップＳＴ５〜ステップＳＴ１０を繰り返す。燃料電池セル１０ａが所定数積層できたら（図１ＢのステップＳＴ４：ＹＥＳ）、筐体２０を構成する締結板２１、２２、補強板２３，２４、エンドプレート２５，２６を配置してボルト２７で締結して燃料電池が形成される。

次に本実施形態の作用及び効果について説明する。燃料電池を構成するセパレータやＭＥＡの間は発電に必要な燃料や酸化剤を漏れないように流通させる必要があるため、ＭＥＡやセパレータの外周にシール剤が塗布される。また、セパレータやＭＥＡには燃料電池の積層方向に燃料や酸化剤を流通させるために貫通孔が形成されるが、積層の態様によっては円滑に流通できなくなる場合があるため、積層の精度が要求される。上記のシール剤は通常硬化に一時間程度かかってしまうため、量産で要求されるような生産効率を達成することは難しい。また、タクトタイムを重視してシール剤が硬化する前に積層を行うとセパレータやＭＥＡの位置がずれてしまい、積層の精度とサイクルタイムとを両立させることが難しい。

これに対し、本実施形態ではシール部材３０に加えて隣接するセパレータ１３，１４又は隣接するセパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１との位置合わせを行なう位置決め部材４０を配置し、位置決め部材４０をシール部材３０よりも内方に配置するようにしている。このように位置決め部材４０を配置することによって、隣接するＭＥＡ１１やセパレータアセンブリ１２を短時間で位置決めでき、シール部材３０の硬化を待つことなく短時間で次の積層を行うことができる。また、シール部材３０は従来通りセパレータアセンブリ１２やＭＥＡ１１の外周に塗布されているため、シール性が損なわれることなく、積層精度とサイクルタイムとの両立を達成することができる。

また、位置決め部材４０は、シール部材３０よりも硬化時間が速い瞬間接着剤などによって構成したため、隣接するセパレータやＭＥＡ同士の位置合わせを即座に行うことができ、サイクルタイムの短縮に貢献することができる。

また、シール部材３０を塗布した状態で位置決め部材硬化工程を行なうことによって、位置決め部材硬化工程では位置決め部材４０だけでなくシール部材３０の硬化をも行うことができる。よって、この後でシール部材を硬化させるエージング工程の前に予めシール部材３０の硬化を開始することができ、その分、エージング工程においてシール部材３０の硬化に必要な時間を短縮することができる。

また、ＭＥＡ１１を積層する際には、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０によってＭＥＡ１１を引っ張った状態で積層するように構成している。そのため、薄膜であるＭＥＡ１１においても皴を発生させずに積層することができ、皴の発生による積層の精度の低下を防止することができる。

また、位置決め基準作成工程では、ＭＥＡ１１を積層後にＭＥＡ１１に位置決めの基準となる切り欠き１１ｄをカッター２２５によって形成している。ＭＥＡ１１は上記のように薄膜であるため、皴が発生し易いものの、位置決め部材４０を塗布した状態でＭＥＡ１１を積層した後であればＭＥＡ１１が隣接するセパレータアセンブリ１２に十分に固定されているため、皴が発生することもなく位置決め基準となる切り欠き形状を形成でき、積層精度の向上に寄与することができる。

なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。

位置決め部材４０は、図６に示すようにシール部材３０の内方においてピンポイントで塗布する実施形態について説明したがこれに限定されない。位置決め部材４０はシール部材３０と同様に一定の範囲において線や面を形成するように塗布することもできる。また、シール部材３０及び位置決め部材４０は、隣接するセパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１との間に配置する実施形態について説明したが、これに限定されない。つまり、セパレータ１３，１４を予め接合してセパレータアセンブリ１２とせずに、シール部材３０と位置決め部材４０とによってセパレータ１３とセパレータ１４とを接合してセパレータアセンブリ１２としてもよい。

また、クランプ２４１は位置決め部材４０を硬化させるための冷却機能をも併せ持つと記載したが、これに限定されず、クランプ機能のみを有し、別部材に位置決め部材の硬化を行わせることもできる。また、ＭＥＡ用ロボットアーム２２０、セパレータ用ロボットアーム２３０の移動アーム２２１、２２２，２３１，２３２は位置決め部材を硬化する際の隙間ゲージとしての機能をも有すると記載したが、これに限定されず、別部材に隙間ゲージとしての機能を付与することもできる。

また、図１４から図１６においてセパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１との位置決めの際には、図１５に示すように、セパレータアセンブリ１２とＭＥＡ１１の間だけでなくＭＥＡ１１の上にもシール部材３０と位置決め部材４０を塗布すると記載したが、これに限定されない。図１５ではＭＥＡ１１の上にシール部材３０及び位置決め部材４０を塗布せずにクランプ２４１によって位置決め部材４０の硬化を行なう。そして、その後にＭＥＡ１１にシール部材３０及び位置決め部材４０を塗布し、セパレータアセンブリ１２を積層して位置決め部材硬化工程を行なうようにすることもできる。また、セパレータ１３，１４には位置決めのための切り欠き１３ｋ、１４ｋが予め設けられている実施形態について説明したが、これに限定されない。ＭＥＡ用ロボットアーム２２０と同様にセパレータ用ロボットアーム２３０についても切り欠きを形成するためのカッターを設け、図１ＢのステップＳＴ９の条件分岐を行なわず、位置決め部材硬化工程の後にセパレータにおいても位置決め基準作成工程を行うようにしてもよい。また、セパレータ１３，１４における切り欠き１３ｋ、１４ｋ及びＭＥＡ１１のフレーム部材１５における切り欠き１１ｄは、図５（Ａ）、図５（Ｂ）において平面視した際の長辺に設けられているが、これに限定されず、短辺に設けてもよい。

１０ 積層体、
１０ａ 燃料電池セル、
１００ 燃料電池、
１１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１１ａ 電解質膜、
１１ｂ アノード、
１１ｃ カソード、
１１ｄ 切り欠き、
１２ セパレータアセンブリ、
１３ アノードセパレータ、
１４ カソードセパレータ、
１３ｋ，１４ｋ 切り欠き、
１３ｇ，１４ｇ 波形形状、
１３ｈ アノードガス流路、
１３ｊ（１４ｊ） 冷却流体流路、
１４ｈ カソードガス流路、
１５ ＭＥＡのフレーム部材、
１６，１７ 集電板、
１６ｇ 突起部、
１６ｈ 集電部、
２０ 筐体、
２１，２２ 締結板、
２３，２４ 補強板、
２５，２６ エンドプレート、
１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，２５ａ，２６ａ カソードガス供給口、
１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ，２５ｂ，２６ｂ 冷却流体供給口、
１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，２５ｃ，２６ｃ アノードガス供給口、
１３ｄ，１４ｄ，１５ｄ，１６ｄ，２５ｄ，２６ｄ アノードガス排出口、
１３ｅ，１４ｅ，１５ｅ，１６ｅ，２５ｅ，２６ｅ 冷却流体排出口、
１３ｆ，１４ｆ，１５ｆ，１６ｆ，２５ｆ，２６ｆ カソードガス排出口、
２５ｇ，２６ｇ 貫通孔、
２７ ネジ、
２１０ 塗布部、
２１１，２１２ 塗布機、
２２０，２２０ａ〜２２０ｄ ＭＥＡ用ロボットアーム、
２２１，２２２ 移動アーム、
２２３，２２４ 保持部材、
２２５ カッター、
２２６ カメラ、
２２７ 搬送部材、
２３０，２３０ａ〜２３０ｄ セパレータ用ロボットアーム、
２３１，２３２ 移動アーム、
２３３，２３４ 保持部材、
２３５ 位置合わせ部、
２３６ カメラ、
２３７ 搬送部材、
２４０ 接着剤硬化用クランプ、
２４１ クランプ、
２４２〜２４５ 支持部、
２５０ 設置部、
２５１ 設置台、
２５２ 上部設置構造物。

Claims (5)

1. 膜電極接合体の両面にセパレータを配置してなる燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池の製造方法であって、
   積層時における前記膜電極接合体の発電領域よりも外方であって、隣接する前記セパレータ同士の間、又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との間において隣接する前記セパレータ同士の外周又は隣接する前記セパレータ又は前記膜電極接合体の外周をシールするシール部材を配置するシール部材配置工程と、
   前記発電領域よりも外方かつ前記シール部材を配置した位置よりも内方であって、隣接する前記セパレータ同士の間、又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との間において隣接する前記セパレータ同士又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との位置決めを行ない、前記シール部材よりも硬化時間が短い位置決め部材を配置する位置決め部材配置工程と、を有する燃料電池の製造方法。
2. 前記シール部材を硬化させる硬化工程と、をさらに有し、
   前記硬化工程だけでなく、少なくとも前記位置決め部材配置工程又は前記シール部材配置工程において前記シール部材の硬化が促進される請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記燃料電池セルを構成する前記セパレータと隣接させて前記膜電極接合体を配置する膜電極接合体配置工程と、をさらに有し、
   前記膜電極接合体配置工程は、前記膜電極接合体を面方向に引っ張った状態で前記セパレータに隣接させて配置する請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記膜電極接合体において前記セパレータを積層する際の位置決め基準を形成する位置決め基準作成工程と、をさらに有し、
   前記位置決め基準作成工程は、前記膜電極接合体を隣接する前記セパレータに位置決めして配置した後に行われる請求項１〜３のいずれか１項に記載の電量電池の製造方法。
5. 膜電極接合体の両面にセパレータを配置してなる燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池の製造方法であって、
   積層時における前記膜電極接合体の発電領域よりも外方であって、隣接する前記セパレータ同士の間、又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との間において隣接する前記セパレータ同士の外周又は隣接する前記セパレータ又は前記膜電極接合体の外周をシールするシール部材を配置するシール部材配置工程と、
   前記発電領域よりも外方かつ前記シール部材を配置した位置よりも内方であって、隣接する前記セパレータ同士の間、又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との間において隣接する前記セパレータ同士又は隣接する前記セパレータと前記膜電極接合体との位置決めを行なう位置決め部材を配置する位置決め部材配置工程と、
   前記膜電極接合体において前記セパレータを積層する際の位置決め基準を形成する位置決め基準作成工程と、を有し、
   前記位置決め基準作成工程は、前記膜電極接合体を隣接する前記セパレータに位置決めして配置した後に行われる、燃料電池の製造方法。