JP7452462B2 - 燃料電池スタックの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池スタックの製造方法および製造装置に関する。

従来から燃料電池スタックの製造方法に関し、特に、複数の単セルを積層してなるセル積層体の圧縮技術に関する発明が知られている（下記特許文献１）。特許文献１は、複数の単セルを積層してセル積層体を構成する積層工程と、そのセル積層体内部を減圧することにより、単セルの積層方向にそのセル積層体を圧縮する圧縮工程と、を備えた燃料電池スタックの製造方法を開示している（要約、請求項１、第０００６段落等）。

上記従来の燃料電池スタックの製造方法によれば、セル積層体内部を減圧する装置（たとえば真空ポンプ）を用いることで、セル積層体を圧縮することができる。これにより、従来必要とされていた加圧機構が不要となるため、大掛かりな治具を用いなくとも、セル積層体を圧縮することができる（同第０００７段落）。

特開２００９－１２９５８４号公報

燃料電池スタックの単セルは、薄い板状のセパレータや、薄いシート状の膜-電極-ガス拡散層接合体および樹脂フレームによって構成されている。そのため、燃料電池スタックの製造工程において、たとえば、単セルの搬送時にたわみが発生しやすい。このような単セルのたわみは、燃料電池スタックの製造工程において、単セル間のピッチを不均一にしたり、単セル間のガスケットのシール性を低下させたりする要因になり得る。

本開示は、個々の燃料電池セル、すなわち単セル間のピッチを均一にするとともに、単セル間のガスケットのシール性を向上させることが可能な燃料電池スタックの製造方法および製造装置を提供する。

本開示の一態様は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池セルを構成する一対のセパレータを上下に対向させた状態で前記燃料電池セルの両端部を把持して搬送する搬送工程と、前記搬送工程における上下を反転させた複数の前記燃料電池セルを、ガスケットを介在させて鉛直方向に積層させる積層工程と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法である。

上記態様の燃料電池スタックの製造方法において、前記燃料電池セルは、前記両端部にそれぞれ凹状の係合部を有し、前記積層工程において、前記燃料電池セルの前記両端部の前記係合部に、鉛直方向に沿って延びるレールを係合させ、前記レールから前記燃料電池セルの前記両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させてもよい。

上記態様の燃料電池スタックの製造方法は、前記燃料電池セルを製造するセル製造工程を含み、前記セル製造工程は、複数のプレス工程と、各々の前記プレス工程の後の前記搬送工程とを含み、複数の前記プレス工程は、前記一対のセパレータの間に前記燃料電池セルを構成する樹脂フレームおよび膜-電極-ガス拡散層接合体を配置して該樹脂フレームの軟化点を超える温度で前記一対のセパレータを加熱しながらプレスする加熱プレス工程と、前記加熱プレス工程の後に前記軟化点よりも低い温度で前記一対のセパレータを冷却しながらプレスする冷却プレス工程と、を含んでもよい。

上記態様の燃料電池スタックの製造方法において、前記加熱プレス工程は、第１加熱プレス工程と、該第１加熱プレス工程よりも高温で前記一対のセパレータを加熱しながらプレスする第２加熱プレス工程と、を含み、前記冷却プレス工程は、第１冷却プレス工程と、該第１冷却プレス工程よりも低温で前記一対のセパレータを冷却しながらプレスする第２冷却プレス工程と、を含み、前記搬送工程は、前記第１加熱プレス工程と前記第２加熱プレス工程との間、前記第２加熱プレス工程と前記第１冷却プレス工程との間、および前記第１冷却プレス工程と前記第２冷却プレス工程との間に行われてもよい。

本開示の別の一態様は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造装置であって、前記燃料電池セルを構成する一対のセパレータを上下に対向させた状態で前記燃料電池セルの両端部を把持して搬送する搬送装置と、前記搬送装置による搬送時の上下を反転させた複数の前記燃料電池セルを、ガスケットを介在させて鉛直方向に積層させる積層装置と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの製造装置である。

上記態様の燃料電池スタックの製造装置において、前記燃料電池セルは、前記両端部にそれぞれ凹状の係合部を有し、前記積層装置は、鉛直方向に沿って延びるレールを備え、前記レールは、前記燃料電池セルの積層時に前記係合部に係合して前記燃料電池セルの前記両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させてもよい。

本開示の上記各態様によれば、個々の燃料電池セル、すなわち単セル間のピッチを均一にするとともに、単セル間のガスケットのシール性を向上させることが可能な燃料電池スタックの製造方法および製造装置を提供することができる。

燃料電池スタックを備える燃料電池システムの概略図。 図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの平面図。 図２に示す燃料電池セルの拡大断面図。 本開示に係る燃料電池スタックの製造方法の一実施形態を示すフロー図。 図４のセル製造工程の詳細を示すフロー図。 図４および図５の搬送工程の概略的に示す正面図。 図４の積層工程における加圧前の複数の燃料電池セルを概略的に示す正面図。 図７に示す積層装置および燃料電池セルの概略的な平面図。 図４の積層工程における加圧後の複数の燃料電池セルを概略的に示す正面図。 ガスケットの圧縮量とピッチばらつきとの関係の一例を示すグラフ。 燃料電池セルの反りとピッチばらつきとの関係の一例を示すグラフ。 比較形態の積層工程における加圧前の複数の燃料電池セルを示す正面図。 比較形態の積層工程における加圧後の複数の燃料電池セルを示す正面図。

以下、図面を参照して本開示に係る燃料電池スタックの製造方法および製造装置の実施形態を説明する。以下では、まず、燃料電池スタックと燃料電池セルの一般的な構成について説明し、次に、その燃料電池スタックの製造方法および製造装置について説明する。なお、以下の説明では、燃料電池スタックを構成する個々の燃料電池セルを「単セル」と略称する場合がある。

（燃料電池スタックおよび燃料電池セル）
まず、図１から図３を参照して、燃料電池スタック１００と燃料電池セル４０（単セル４０）の一般的な構成の一例について説明する。図１は、燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１の概略図である。燃料電池システム１は、たとえば、水素タンク２と、エアポンプ３と、ラジエータ４と、燃料電池スタック１００とを備えている。

水素タンク２は、たとえば、高圧水素が充填され、シャットバルブ２ａ、配管２ｂおよびレギュレータ２ｃを介して燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての水素を供給する。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、燃料電池スタック１００に接続された排出配管２ｄを介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１は、アノードオフガスを配管２ｂ側に再循環させる再循環機構を有してもよい。

エアポンプ３は、たとえば、配管３ａを介して燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管３ｂを介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

ラジエータ４は、たとえば、配管４ａおよびポンプ４ｂを介して燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００を冷却するための冷媒を、燃料電池スタック１００に供給する。燃料電池スタック１００から排出された冷媒は、配管４ｃを介してラジエータ４に循環する。冷媒としては、たとえば、水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。

燃料電池スタック１００は、たとえば、エンドプレート１０と、絶縁板２０と、集電板３０と、複数の単セル４０と、集電板３０と、絶縁板２０と、エンドプレート１０が、この順に積層された積層構造を有している。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１００を構成する複数の燃料電池セル４０の一つ、すなわち単セル４０の平面図である。図３は、図２に示す単セル４０の概略的な拡大断面図である。単セル４０は、膜-電極-ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly：ＭＥＧＡ）４１と、ＭＥＧＡ４１を囲む樹脂フレーム４２と、これらを間に挟んだ一対のセパレータ４３，４４とを備えている。

ＭＥＧＡ４１は、膜-電極接合体４１ａと、この膜-電極接合体４１ａの両側に積層されたガス拡散層４１ｂとを備え、樹脂フレーム４２の矩形の開口部４２ａに配置されている。膜-電極接合体４１ａは、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置されて構成され、発電用の第１のガスと第２のガスを反応させて発電する。第１のガスは、たとえば水素を含む燃料ガスであり、第２のガスは、たとえば酸素を含む空気などの酸化剤ガスである。

樹脂フレーム４２は、たとえば、電気絶縁性と可撓性を有し、熱溶着が可能なフィルム状の樹脂部材に打ち抜き加工を施すことによって、ＭＥＧＡ４１を囲む矩形の枠状に形成されている。樹脂フレーム４２は、たとえば、一対のセパレータ４３，４４に溶着され、一対のセパレータ４３，４４を接合する接合材としても機能する。樹脂フレーム４２は、外縁部にマニホールドＭ１～Ｍ６を構成する複数のマニホールド開口部ｈ１～ｈ６を有している。

セパレータ４３，４４は、たとえば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタンなどの金属部材など、ガス遮断性および導電性を有する素材によって作られている。一対のセパレータ４３，４４のうち、一方はアノード側のセパレータ４３であり、他方はカソード側のセパレータ４４である。

アノード側のセパレータ４３は、ＭＥＧＡ４１側の面に、燃料ガスを分配する複数の筋状の流路溝４５を備え、ＭＥＧＡ４１と反対側の面に冷媒を分配する複数の筋状の流路溝４６を備える。カソード側のセパレータ４４は、ＭＥＧＡ４１側の面に酸化剤ガスを分配する複数の筋状の流路溝４７を備え、ＭＥＧＡ４１と反対側の面に冷媒を分配する複数の筋状の流路溝４６を備える。

一対のセパレータ４３，４４は、マニホールドＭ１～Ｍ６を構成する複数のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６を有している。マニホールドＭ１は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、燃料ガスを供給する配管２ｂに接続される。また、マニホールドＭ２は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガスを排出する排出配管２ｄに接続される。

同様に、マニホールドＭ３は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、酸化剤ガスを供給する配管３ａに接続される。また、マニホールドＭ４は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガスを排出する排出配管３ｂに接続される。

また、マニホールドＭ５は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、冷媒を供給する配管４ａに接続される。同様に、マニホールドＭ６は、たとえば、図１に示すエンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０に設けられた開口部を介して、燃料電池スタック１００から排出された冷媒をラジエータ４に循環させる配管４ｃに接続される。

一対のセパレータ４３，４４、樹脂フレーム４２、およびＭＥＧＡ４１は、図２に示すように、発電用ガスの流路である第１ガス流路５１と、図示を省略する第２ガス流路とを形成する。第１ガス流路５１は、たとえば、単セル４０のアノード側に設けられ、第２ガス流路は単セル４０のカソード側に設けられている。

第１ガス流路５１は、マニホールドＭ１，Ｍ２にそれぞれ開口を有している。第１ガス流路５１は、樹脂フレーム４２に設けられた溝状の流路によって、アノード側のセパレータ４３とＭＥＧＡ４１との間の空間と、マニホールドＭ１，Ｍ２とを接続している。また、第１ガス流路５１は、アノード側のセパレータ４３とＭＥＧＡ４１との間の空間において、図２および図３に示す複数の筋状の流路溝４５によって、複数の流路に分岐されている。

また、図示を省略する第２ガス流路は、マニホールドＭ３，Ｍ４にそれぞれ開口を有している。第２ガス流路は、樹脂フレーム４２に設けられた溝状の流路によって、カソード側のセパレータ４４とＭＥＧＡ４１との間の空間と、マニホールドＭ３，Ｍ４とを接続している。また、第２ガス流路は、カソード側のセパレータ４４とＭＥＧＡ４１との間の空間において、図２に示す第１ガス流路５１と同様に、図３に示す複数の筋状の流路溝４７によって、複数の流路に分岐されている。

以上のような構成により、燃料電池システム１は、たとえば水素タンク２から、燃料電池スタック１００を構成する複数の単セル４０のマニホールド孔Ｈ１によって形成されたマニホールドＭ１へ、水素ガスが燃料ガスとして供給される。また、たとえばエアポンプ３から、燃料電池スタック１００を構成する複数の単セル４０のマニホールド孔Ｈ３によって形成されたマニホールドＭ３へ、酸素を含む空気が酸化剤ガスとして供給される。さらに、たとえばポンプ４ｂから、燃料電池スタック１００を構成する複数の単セル４０のマニホールド孔Ｈ５によって形成されたマニホールドＭ５へ、冷却水が冷媒として供給される。

燃料電池スタック１００のマニホールドＭ１へ供給された燃料ガスは、マニホールドＭ２へ向けて、各々の単セル４０の第１ガス流路５１を流れる。燃料電池スタック１００のマニホールドＭ３へ供給された酸化剤ガスは、マニホールドＭ４へ向けて、各々の単セル４０の第２ガス流路を流れる。単セル４０は、この第１ガス流路５１を流れる燃料ガスと、第２ガス流路を流れる酸化剤ガスとを、ＭＥＧＡ４１を介して反応させることで、発電する。

また、燃料電池スタック１００のマニホールドＭ５へ供給された冷媒は、マニホールドＭ６へ向けて、図３に示す流路溝４６によって隣り合う単セル４０の間に形成された冷媒流路を流れる。これにより、発電により単セル４０に発生した熱を、一対のセパレータ４３，４４を介して冷媒へ移動させ、単セル４０を冷却することができる。

単セル４０の第１ガス流路５１を通過した燃料ガスは、マニホールドＭ２に排出され、さらにマニホールドＭ２から排出配管２ｄへ排出される。単セル４０の第２ガス流路を通過した酸化剤ガスは、マニホールドＭ４へ排出され、さらにマニホールドＭ４から排出配管３ｂへ排出される。隣り合う単セル４０の間の冷媒流路を通過した冷媒は、マニホールドＭ６に排出され、さらに配管４ｃへ排出される。

以上のように、燃料電池スタック１００または単セル４０は、三種の異なる流体が流れる三つの通路を備えている。より具体的には、これら三つの通路は、たとえば、燃料ガスが流れる第１ガス通路と、酸化剤ガスが流れる第２ガス通路と、冷媒が流れる冷媒通路である。なお、第１ガス通路と第２ガス通路との間は、ＭＥＧＡ４１および樹脂フレーム４２によって分離されている。また、第１ガス通路および第２ガス通路と、冷媒通路との間は、セパレータ４３，４４によって分離され、ガスケットなどの適宜のシール部によって封止されている。

（燃料電池スタックの製造方法および製造装置）
次に、図４から図１１を参照して、本開示に係る燃料電池スタックの製造方法および製造装置の実施形態を説明する。図４は、本開示に係る燃料電池スタックの製造方法の一実施形態を示すフロー図である。図５は、図４のセル製造工程Ｓ１の詳細を示すフロー図である。

本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍは、複数の燃料電池セル４０（単セル４０）が積層された燃料電池スタック１００の製造方法である。燃料電池スタックの製造方法Ｍは、たとえば、セル製造工程Ｓ１と、搬送工程Ｓ２と、積層工程Ｓ３と、を含む。

セル製造工程Ｓ１は、個々の燃料電池セル４０、すなわち単セル４０を製造する工程である。セル製造工程Ｓ１は、たとえば、複数のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１７と、各々のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５の後の搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６と、を含む。また、複数のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１７は、加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３と、冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７と、を含む。

加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３は、一対のセパレータ４３，４４の間に単セル４０を構成する樹脂フレーム４２およびＭＥＧＡ４１（膜-電極-ガス拡散層接合体４１）を配置して、樹脂フレーム４２の軟化点を超える温度で一対のセパレータ４３，４４を加熱しながらプレスする工程である。加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３は、たとえば、第１加熱プレス工程Ｓ１１と、その第１加熱プレス工程Ｓ１１よりも高温で一対のセパレータ４３，４４を加熱しながらプレスする第２加熱プレス工程Ｓ１３と、を含む。樹脂フレーム４２の素材は、たとえば、軟化点が１６０［℃］程度の熱可塑性樹脂である。

第１加熱プレス工程Ｓ１１では、第１プレス機の下型の上に、一対のセパレータ４３，４４が、ＭＥＧＡ４１と樹脂フレーム４２を挟持した状態で配置される。そして、樹脂フレーム４２の軟化点以上の温度に加熱された第１プレス機の上型と下型との間で、一対のセパレータ４３，４４とその間に配置されたＭＥＧＡ４１および樹脂フレーム４２とが加熱および加圧される。これにより、樹脂フレーム４２が軟化して、一対のセパレータ４３，４４、ＭＥＧＡ４１、および樹脂フレーム４２が密着する。

第２加熱プレス工程Ｓ１３では、第１加熱プレス工程Ｓ１１を終えた未完成の単セル４０が、搬送工程Ｓ１２により搬送され、第２プレス機の下型の上に載置される。搬送工程Ｓ１２の詳細については後述する。そして、第１加熱プレス工程Ｓ１１における第１プレス機の上型および下型よりも高温に加熱された第２プレス機の上型と下型との間で、一対のセパレータ４３，４４とその間に配置されたＭＥＧＡ４１および樹脂フレーム４２とが加熱および加圧される。これにより、樹脂フレーム４２がさらに軟化して、一対のセパレータ４３，４４、ＭＥＧＡ４１、および樹脂フレーム４２が密着する。

冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７は、加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３の後に樹脂フレーム４２の軟化点よりも低い温度で一対のセパレータ４３，４４を冷却しながらプレスする工程である。冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７は、たとえば、第１冷却プレス工程Ｓ１５と、その第１冷却プレス工程Ｓ１５よりも低温で一対のセパレータ４３，４４を冷却しながらプレスする第２冷却プレス工程Ｓ１７と、を含む。

第１冷却プレス工程Ｓ１５では、第２加熱プレス工程Ｓ１３を終えた未完成の単セル４０が、搬送工程Ｓ１４により搬送され、第３プレス機の下型の上に載置される。搬送工程Ｓ１４の詳細については後述する。そして、樹脂フレーム４２の軟化点よりも低温にされた第３プレス機の上型と下型との間で、一対のセパレータ４３，４４とその間に配置されたＭＥＧＡ４１および樹脂フレーム４２とが冷却および加圧される。

これにより、樹脂フレーム４２が硬化して、一対のセパレータ４３，４４、ＭＥＧＡ４１、および樹脂フレーム４２が一体化する。なお、樹脂フレーム４２の軟化点が１６０［℃］程度である場合、第１冷却プレス工程Ｓ１５における単セル４０の冷却温度は、たとえば、１００［℃］から１４０［℃］程度である。

第２冷却プレス工程Ｓ１７では、第１冷却プレス工程Ｓ１５を終えた未完成の単セル４０が、搬送工程Ｓ１６により搬送されて第４プレス機の下型の上に載置される。搬送工程Ｓ１６の詳細については後述する。そして、第１冷却プレス工程Ｓ１５における第３プレス機の上型および下型の温度よりも低温にされた第４プレス機の上型と下型との間で、一対のセパレータ４３，４４とその間に配置されたＭＥＧＡ４１および樹脂フレーム４２とが冷却および加圧される。

これにより、搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６による単セル４０の反りが低減される。その結果、複数の単セル４０の間の反り量のばらつきが、たとえば、第２冷却プレス工程Ｓ１７を行わない場合の単セル４０の反り量のばらつきと比較して、５０％以下に低減される。なお、樹脂フレーム４２の軟化点が１６０［℃］程度である場合、第２冷却プレス工程Ｓ１７における単セル４０の冷却温度は、たとえば、３０［℃］から５０［℃］程度である。

以上により、一対のセパレータ４３，４４とＭＥＧＡ４１とが樹脂フレーム４２を介して熱圧着されて単セル４０が製造され、図４および図５に示すセル製造工程Ｓ１が終了する。セル製造工程Ｓ１の終了後は、図４に示すように、搬送工程Ｓ２が実施される。なお、燃料電池スタックの製造方法Ｍは、たとえば、完成した単セル４０を外部から調達する場合には、セル製造工程Ｓ１を有しなくてもよい。

図６は、図４および図５の搬送工程Ｓ２，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６を概略的に示す正面図である。搬送工程Ｓ１２は、前述のように、セル製造工程Ｓ１の第１加熱プレス工程Ｓ１１と第２加熱プレス工程Ｓ１３との間で実施され、単セル４０を第１プレス機から第２プレス機へ搬送する工程である。また、搬送工程Ｓ１４は、前述のように、セル製造工程Ｓ１の第２加熱プレス工程Ｓ１３と第１冷却プレス工程Ｓ１５との間で実施され、単セル４０を第２プレス機から第３プレス機へ搬送する工程である。

また、搬送工程Ｓ１６は、セル製造工程Ｓ１の第１冷却プレス工程Ｓ１５と第２冷却プレス工程Ｓ１７との間に実施され、単セル４０を第３プレス機から第４プレス機へ搬送する工程である。また、搬送工程Ｓ２は、たとえば、セル製造工程Ｓ１の終了後に実施され、完成した単セル４０を積層工程Ｓ３へ搬送する工程である。

搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２は、単セル４０を横にして、単セル４０を構成する一対のセパレータ４３，４４を上下に対向させた状態で、単セル４０の両端部を把持して搬送する工程である。ここで、一対のセパレータ４３，４４の上下関係は特に限定されず、どちらが上に配置されていてもよい。図６に示すように、搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２は、単セル４０の両端を把持する搬送装置２１０によって行われる。搬送装置２１０は、本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００の一部である。

搬送工程Ｓ２，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６では、たとえば、互いに対向する薄い板状の一対のセパレータ４３，４４の外側の面、すなわち、図６における単セル４０の上面と下面がおおむね水平になるように、単セル４０を横にしてその両端部を把持して搬送する。そのため、単セル４０は、両端部の間の中央部が自重により下方にたわむ。その結果、単セル４０には、たとえば、図６に示すように、下方側が凸となる湾曲形状の反りが発生する。セル製造工程Ｓ１の終了後の搬送工程Ｓ２において、単セル４０は、次の積層工程Ｓ３へ搬送される。

図７は、図４の積層工程Ｓ３における加圧前の複数の単セル４０を概略的に示す正面図である。図８は、図７に示す積層装置２２０と、単セル４０の概略的な平面図である。図９は、図４の積層工程Ｓ３における加圧後の複数の単セル４０を概略的に示す正面図である。図７に示す積層装置２２０は、本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００の一部である。

なお、積層工程Ｓ３において単セル４０間に介在されるガスケット５０は、図８に示すように、たとえば、矩形の環状または枠状の閉じた形状を有している。なお、図７および図９では、ガスケット５０を切断した状態で示している。ガスケット５０は、たとえば、ＥＰＤＭなどの弾性を有する樹脂材料により製作される。ガスケット５０は、単セル４０の間で所定の圧縮量で圧縮されることで、前述の第１ガス流路、第２ガス流路、および冷媒流路の間を面圧によってシールしている。

積層工程Ｓ３は、搬送工程Ｓ２における上下を反転させた複数の単セル４０を、ガスケット５０を介在させて鉛直方向に積層させる工程である。なお、セル製造工程Ｓ１の終了後の搬送工程Ｓ２における単セル４０の上下は、たとえば、セル製造工程Ｓ１に含まれる搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６における単セル４０の上下と同一である。

本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００は、複数の燃料電池セル４０が積層された燃料電池スタック１００を製造するための装置である。燃料電池スタックの製造装置２００は、図６に示す搬送装置２１０と、図７に示す積層装置２２０とを備えている。なお、燃料電池スタックの製造装置２００は、たとえば、前述のセル製造工程Ｓ１で使用される第１プレス機、第２プレス機、第３プレス機、および第４プレス機を備えていてもよい。

搬送装置２１０は、前述のように、単セル４０を横にして単セル４０を構成する一対のセパレータ４３，４４を上下に対向させた状態で単セル４０の両端部を把持して搬送する搬送工程Ｓ２，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６を行う。搬送装置２１０は、たとえば、図６に示す複数のチャック２１１と、図示を省略する駆動機構とを含む。駆動機構は、チャック２１１を開閉させるとともに、単セル４０を把持したチャック２１１を搬送元から搬送先へ移動させる。

積層装置２２０は、搬送装置２１０による搬送時の上下を反転させた複数の単セル４０を、ガスケット５０を介在させて鉛直方向に積層させる積層工程Ｓ３に使用される。本実施形態において、単セル４０は、たとえば、両端部にそれぞれ凹状の係合部４８を有している。この場合、積層装置２２０は、鉛直方向に沿って延びるレール２２１を備えることができる。レール２２１は、単セル４０の積層時に単セル４０の両端部の係合部４８に係合して単セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させる。

すなわち、図４に示す積層工程Ｓ３では、たとえば、図７および図８に示す積層装置２２０を用いることができる。そして、積層工程Ｓ３において、単セル４０の両端部の係合部４８に、鉛直方向に沿って延びるレール２２１を係合させ、レール２２１から単セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力Ｆを作用させることができる。これにより、図７に示すように、単セル４０に作用する重力Ｇ、すなわち、単セル４０の中間部の自重によって、上向きに凸の湾曲形状である単セル４０の反りが緩和される。

さらに、積層工程Ｓ３では、図９に示すように、複数の燃料電池セル４０の下端と上端にそれぞれ集電板３０を配置する。そして、複数の燃料電池セル４０を一対の集電板３０の間で圧縮して加圧し、単セル４０の間に介在するガスケット５０を適度に圧縮することで、単セル４０間の空間をガスケット５０によってシールする。このとき、単セル４０の両端部の係合部４８に係合したレール２２１から単セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力Ｆを作用させ、上向きに凸の湾曲形状である単セル４０の反りが、さらに緩和される。

図１０は、ガスケット５０の圧縮量と単セル４０のピッチばらつきとの関係の一例を示すグラフである。図１０において、グラフの縦軸は、ガスケット５０の圧縮量である。また、図１０は、左端にガスケット５０のノミナル圧縮量を示し、右端にガスケット５０の最小圧縮量を示し、これらの間にガスケット５０の圧縮量を減少させる複数の要素を示している。図１０では、ガスケット５０の圧縮量を減少させる要素として、セルばらつき、積層ばらつき、劣化／低温、ピッチばらつきが例示されている。

セルばらつきは、複数の単セル４０の間の厚みのばらつきである。積層ばらつきは、複数の単セル４０を積層させ、圧縮し、締結するときの締結荷重のばらつきである。劣化／低温は、ガスケット５０の経年劣化や低温環境下での使用によるガスケット５０の圧縮量の減少である。ピッチばらつきは、個々の単セル４０の反りに起因する複数の単セル４０間のピッチのばらつきによるガスケット５０の圧縮量の減少である。

ガスケット５０の圧縮量は、たとえば、セルばらつき、積層ばらつき、劣化／低温、ピッチばらつきなどによって減少する。そのため、ガスケット５０のノミナル圧縮量は、これらの要因によってガスケット５０の圧縮量が最小圧縮量まで減少した場合でも、シール限界ＳＬを超えるように設定される。ここで、ガスケット５０のシール限界ＳＬは、ガスケット５０が要求されるシール性を発揮可能な圧縮量の限界値である。

すなわち、ガスケット５０は、圧縮量がシール限界ＳＬを下回ると、要求されるシール性を発揮できなくなる。したがって、ガスケット５０のシール性を確保するためには、単セル４０間のピッチばらつきを減少させることが重要である。また、ガスケット５０は、圧縮量が過大になると、割れが発生するおそれがある。したがって、ガスケット５０の割れを防止する観点からも単セル４０間のピッチばらつきを減少させることが重要である。

図１１は、単セル４０の反りとピッチばらつきとの関係の一例を示すグラフである。図１１に示すように、単セル４０の反りと単セル４０間のピッチばらつきとは、おおむね比例している。すなわち、単セル４０の反りが大きくなるほど、単セル４０間のピッチのばらつきが大きくなる。

したがって、ガスケット５０のシール性を確保するためには、単セル４０の反りを減少させることが重要である。許容される単セル４０の反りの最大値Ｗｍａｘは、たとえば、許容されるピッチばらつきの最大値Ｐｄに基づいて決定される。

以下、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍおよび製造装置２００の作用について、比較形態の燃料電池スタックの製造方法および製造装置との対比に基づいて説明する。図１２および図１３は、比較形態の積層工程における加圧前後の複数の単セル４０を示す正面図である。

図１２の比較形態に示すように、搬送工程Ｓ２において下方に凸となる湾曲形状の反りが生じた複数の単セル４０を、積層工程において、そのままの状態でガスケット５０を介して積層させると仮定する。すると、単セル４０に重力Ｇが作用し、レール２２１から単セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力Ｆが作用して、単セル４０の反りが助長される。

また、たとえば、工場の非稼働日など、図１２に示すように、複数の単セル４０を積層させた状態で、数日程度の一定期間にわたって保管されることで、反りが発生する場合がある。このような保管期間は、たとえば、セル製造工程Ｓ１、搬送工程Ｓ２、および積層工程Ｓ３の各工程の間にも発生し得る。

さらに、図１３の比較形態に示すように、積層された複数の単セル４０の上端と下端に集電板３０を配置して、複数の単セル４０を圧縮して加圧する。すると、レール２２１から単セル４０の両端部へ、さらに鉛直方向上向きの摩擦力Ｆが作用して、単セル４０の反りがさらに助長される。その結果、単セル４０の反りが図１１に示す最大値Ｗｍａｘを超えて、単セル４０間のピッチばらつきが最大値Ｐｄを超えることで、図１０に示す最小圧縮量がシール限界ＳＬを下回り、ガスケット５０のシール性が損なわれるおそれがある。

また、単セル４０は、たとえば、チタンやステンレス鋼などの薄い板状の一対のセパレータ４３，４４によって構成されている。そのため、図１３に示すように、単セル４０に反りが発生した状態で、たとえば、３００個以上の複数の単セル４０を積層させると、個々の単セル４０が板ばねのように作用する。この作用は、単セル４０の積層数が増加するほど顕著になる。

その結果、図１３に示す例において、上側に積層された単セル４０間のガスケット５０に対し、下側に積層された複数の単セル４０による圧縮方向のより大きな弾性力が作用して、過圧縮が発生するおそれがある。また、図１３に示す例において、上側に積層された複数の単セル４０の弾性力により、下側に積層された単セル４０の反りが矯正されず、単セル４０間のピッチが拡大し、単セル４０間のガスケット５０の圧縮量がシール限界ＳＬを下回るおそれがある。

これに対し、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍは、前述のように、複数の燃料電池セル４０が積層された燃料電池スタック１００の製造方法であり、搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２と、積層工程Ｓ３と、を含む。搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２は、燃料電池セル４０を構成する一対のセパレータ４３，４４を上下に対向させた状態で燃料電池セル４０の両端部を把持して搬送する。積層工程Ｓ３は、搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２における上下を反転させた複数の燃料電池セル４０を、ガスケット５０を介在させて鉛直方向に積層させる。

本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍでは、前述の搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２において、図６に示すように、燃料電池セル４０に下向きに凸の湾曲形状の反りが発生する。しかし、積層工程Ｓ３において、燃料電池セル４０の上下を反転させて積層させることで、図７および図９に示すように、燃料電池セル４０の反りが、燃料電池セル４０の自重および圧縮時の加圧によって低減される。したがって、本実施形態によれば、個々の燃料電池セル４０、すなわち単セル４０のピッチを均一にするとともに、単セル４０間のガスケット５０のシール性を向上させることが可能な燃料電池スタックの製造方法Ｍを提供することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍにおいて、燃料電池セル４０は、両端部にそれぞれ凹状の係合部４８を有している。そして、積層工程Ｓ３において、燃料電池セル４０の両端部の係合部４８に、鉛直方向に沿って延びるレール２２１を係合させ、レール２２１から燃料電池セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力Ｆを作用させる。これにより、積層工程Ｓ３において、燃料電池セル４０に反りと反対方向の曲げ応力を作用させ、燃料電池セル４０の自重および圧縮時の加圧による反りの低減効果を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍは、燃料電池セル４０を製造するセル製造工程Ｓ１を含む。セル製造工程Ｓ１は、複数のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１７と、各々の複数のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１７の後の搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６と、を含む。複数のプレス工程Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１７は、加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３と、冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７と、を含む。加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３は、一対のセパレータ４３，４４の間に燃料電池セル４０を構成する樹脂フレーム４２および膜-電極-ガス拡散層接合体４１を配置して樹脂フレーム４２の軟化点を超える温度で一対のセパレータ４３，４４を加熱しながらプレスする工程である。冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７は、加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３の後に樹脂フレーム４２の軟化点よりも低い温度で一対のセパレータ４３，４４を冷却しながらプレスする工程である。

このように、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍがセル製造工程Ｓ１を含むことで、セル製造工程Ｓ１に含まれる搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６において、燃料電池セル４０に反りが発生する。しかし、このセル製造工程Ｓ１の搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６で生じた反りも、積層工程Ｓ３において低減することができ、単セル４０のピッチを均一にするとともに、単セル４０間のガスケット５０のシール性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍにおいて、加熱プレス工程Ｓ１１，Ｓ１３は、第１加熱プレス工程Ｓ１１と、その第１加熱プレス工程Ｓ１１よりも高温で一対のセパレータ４３，４４を加熱しながらプレスする第２加熱プレス工程Ｓ１３と、を含む。冷却プレス工程Ｓ１５，Ｓ１７は、第１冷却プレス工程Ｓ１５と、その第１冷却プレス工程Ｓ１５よりも低温で一対のセパレータ４３，４４を冷却しながらプレスする第２冷却プレス工程Ｓ１７と、を含む。搬送工程Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６は、第１加熱プレス工程Ｓ１１と第２加熱プレス工程Ｓ１３との間、第２加熱プレス工程Ｓ１３と第１冷却プレス工程Ｓ１５との間、および第１冷却プレス工程Ｓ１５と第２冷却プレス工程Ｓ１７との間に行われる。

このように、本実施形態の燃料電池スタックの製造方法Ｍが第１加熱プレス工程Ｓ１１および第２加熱プレス工程Ｓ１３を含むことで、樹脂フレーム４２の温度を効率よく上昇させることができる。また、燃料電池スタックの製造方法Ｍが第１冷却プレス工程Ｓ１５と第２冷却プレス工程Ｓ１７を含むことで、複数の単セル４０の反りのばらつきを大幅に低減させることができる。これにより、単セル４０のピッチを均一にするとともに、単セル４０間のガスケット５０のシール性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００は、複数の燃料電池セル４０が積層された燃料電池スタック１００を製造するための装置である。燃料電池スタックの製造装置２００は、搬送装置２１０と、積層装置２２０と、を含む。搬送装置２１０は、燃料電池セル４０を構成する一対の一対のセパレータ４３，４４を上下に対向させた状態で単セル４０の両端部を把持して搬送する。積層装置２２０は、搬送装置２１０による搬送時の上下を反転させた複数の燃料電池セル４０を、ガスケット５０を介在させて鉛直方向に積層させる。

本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００は、搬送装置２１０による単セル４０の搬送時に、図６に示すように、単セル４０に下向きに凸の湾曲形状の反りが発生する。しかし、積層装置２２０において、単セル４０の上下を反転させて積層させることで、図７および図９に示すように、単セル４０の反りが、単セル４０の自重および圧縮時の加圧によって低減される。したがって、本実施形態によれば、単セル４０のピッチを均一にするとともに、単セル４０間のガスケット５０のシール性を向上させることが可能な燃料電池スタックの製造装置２００を提供することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックの製造装置２００において、燃料電池セル４０は、両端部にそれぞれ凹状の係合部４８を有している。積層装置２２０は、鉛直方向に沿って延びるレール２２１を備えている。レール２２１は、単セル４０の積層時に燃料電池セル４０の両端部の係合部４８に係合して、単セル４０の両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させる。これにより、積層装置２２０において、単セル４０に反りと反対方向の曲げ応力を作用させ、単セル４０の自重および圧縮時の加圧による反りの低減効果を向上させることができる。

以上、図面を用いて本開示に係る燃料電池スタックの製造方法および製造装置の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

４０ 単セル（燃料電池セル）
４１ ＭＥＧＡ（膜-電極-ガス拡散層接合体）
４２ 樹脂フレーム
４３ セパレータ
４４ セパレータ
４８ 係合部
５０ ガスケット
１００ 燃料電池スタック
２００ 燃料電池スタックの製造装置
２１０ 搬送装置
２２０ 積層装置
２２１ レール
Ｆ 摩擦力
Ｍ 燃料電池スタックの製造方法
Ｓ１ セル製造工程
Ｓ１１ 第１加熱プレス工程（加熱プレス工程、プレス工程）
Ｓ１２ 搬送工程
Ｓ１３ 第２加熱プレス工程（加熱プレス工程、プレス工程）
Ｓ１４ 搬送工程
Ｓ１５ 第１冷却プレス工程（冷却プレス工程、プレス工程）
Ｓ１６ 搬送工程
Ｓ１７ 第２冷却プレス工程（冷却プレス工程、プレス工程）
Ｓ２ 搬送工程
Ｓ３ 積層工程

Claims (6)

1. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記燃料電池セルを構成する一対のセパレータを上下に対向させた状態で前記燃料電池セルの両端部を把持して搬送する搬送工程と、
   前記搬送工程における上下を反転させた複数の前記燃料電池セルを、ガスケットを介在させて鉛直方向に積層させる積層工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
2. 前記燃料電池セルは、前記両端部にそれぞれ凹状の係合部を有し、
   前記積層工程において、前記燃料電池セルの前記両端部の前記係合部に、鉛直方向に沿って延びるレールを係合させ、前記レールから前記燃料電池セルの前記両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させ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製造方法。
3. 前記燃料電池セルを製造するセル製造工程を含み、
   前記セル製造工程は、複数のプレス工程と、各々の前記プレス工程の後の前記搬送工程とを含み、
   複数の前記プレス工程は、
   前記一対のセパレータの間に前記燃料電池セルを構成する樹脂フレームおよび膜-電極-ガス拡散層接合体を配置して該樹脂フレームの軟化点を超える温度で前記一対のセパレータを加熱しながらプレスする加熱プレス工程と、
   前記加熱プレス工程の後に前記軟化点よりも低い温度で前記一対のセパレータを冷却しながらプレスする冷却プレス工程と、
   を含む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製造方法。
4. 前記加熱プレス工程は、第１加熱プレス工程と、該第１加熱プレス工程よりも高温で前記一対のセパレータを加熱しながらプレスする第２加熱プレス工程と、を含み、
   前記冷却プレス工程は、第１冷却プレス工程と、該第１冷却プレス工程よりも低温で前記一対のセパレータを冷却しながらプレスする第２冷却プレス工程と、を含み、
   前記搬送工程は、前記第１加熱プレス工程と前記第２加熱プレス工程との間、前記第２加熱プレス工程と前記第１冷却プレス工程との間、および前記第１冷却プレス工程と前記第２冷却プレス工程との間に行われることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックの製造方法。
5. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの製造装置であって、
   前記燃料電池セルを構成する一対のセパレータを上下に対向させた状態で前記燃料電池セルの両端部を把持して搬送する搬送装置と、
   前記搬送装置による搬送時の上下を反転させた複数の前記燃料電池セルを、ガスケットを介在させて鉛直方向に積層させる積層装置と、
   を含むことを特徴とする燃料電池スタックの製造装置。
6. 前記燃料電池セルは、前記両端部にそれぞれ凹状の係合部を有し、
   前記積層装置は、鉛直方向に沿って延びるレールを備え、
   前記レールは、前記燃料電池セルの積層時に前記係合部に係合して前記燃料電池セルの前記両端部へ鉛直方向上向きの摩擦力を作用させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタックの製造装置。

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