WO2005050771A1

WO2005050771A1 - 燃料電池及び燃料電池スタックの製造

Info

Publication number: WO2005050771A1
Application number: PCT/JP2004/016387
Authority: WO
Inventors: Akira Fujiki; Yukihiro Maekawa; Takeharu Kuramochi; Masahiko Katsu; Takayuki Hirao; Takeshi Shimizu; Masanori Iwamoto; Sadao Miki; Haruhiko Suzuki; Yoshiki Muto; Kaoru Eguchi; Masahiro Omata; Hiroshi Saitou
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2005-06-02
Also published as: KR100772770B1; US20070271770A1; DE112004002237T5; US20110236801A1; US7981572B2; US8247137B2; KR20060108667A; DE112004002237B4

Abstract

燃料電池スタック (1) のセパレータ (5A, 5B, 6) と膜電極複合体 (2) とをガイドボックス (40)の中に交互に積層する。セパレータ (5A, 5B, 6) は溝状のガス通路 (10A, 10B) を備える。接着剤(7) の粉末を所定のパターンに吸着した感光ドラム (31A, 31B) を介して、ガス通路 (10A, 10B)を除くセパレータ (5A, 5B, 6) の表面にあらかじめ付着させておく。ガイドボックス (40)の中に積層したセパレータ (5A, 5B, 6) と膜電極複合体 (2) にプレス機 (43) とヒータ (40C)で熱圧縮することにより、一体化された燃料電池スタック (1) を得る。

Description

明細書

燃料電池及び燃料電池スタックの製造発明の所属分野この発明は、燃料電池及び燃料電池スタックの製造に関する。発明の背景日本国特許庁が 2001年に発行した JP2001 -57226Aは、円筒形の中間ァダプタを用いた燃料電池と燃料電池スタックの製造方法を開示している。この方法では、膜電極複合体（MEA) とセパレ一タに貫通孔を形成し、円筒形の中間アダプタを貫通孔に貫通させつつ、膜電極複合体（MEA) とセパレータを交互に積層して燃料電池を得ている。また、複数の燃料電池を製作した後に、中間アダプタにシャフトを貫通させることで、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを得ている。

日本国特許庁が 2001年に発行した JP2001-236971 Aは、 MEAをシート状に形成する一方、第 1 のセパレ一タと第 2のセパレータとをそれぞれシ一ト上に所定間隔で構成し、これらのシートを送り出しながら、連続的に燃料電池を製造する方法を開示している。この製造方法は、各シートを MEAと第 1のセパレ一タと第 2のセパレータと力重なるように送り出し、所定位置でこれらのシートに外側から熱圧縮を加えることで、 MEAに第 1 のセパレー夕と第 2のセパレータを圧着し、次々と燃料電池を得ている。

日本国特許庁が 2003年に発行した JP2003 - 163011Aは、フィルム状の電解質膜を送り出しつつ、その途中でドラムから電解質膜へと電極材料粉末を転写することで、 MEAを製造する方法を開示している。発明の概要

JP2001-57226Aの製造方法においては、 MEAとセパレー夕にあらかじめ貫通孔を形成しなければならず、そのための作業にコストがかかるとともに、貫通孔によつて燃料電池の有効面積が削られることになる。

JP2001-236971Aや JP2003-163011の製造方法は、燃料電池単体の製造専用であり、燃料電池スタックの製造には適用できない。また、この方法は電解質膜の送り出しのために、同期回転する数多くのローラを使用し、これらのローラの回転制御装置にコストを要する。また、ローラを用いて電解質膜を搬送する場合に、電解質膜の表面に傷がついたり、異物が付着する可能性がある。

この発明のひとつの目的は、したがって、燃料電池スタックを少ないコストで製造することである。

この発明の別の目的は、フィルムやシート状の電解質膜を搬送する際の、傷や異物の付着を防止することである。

以上の目的を達成するために、この発明は、所定の順番で積層された複数の積層材を備える燃料電池スタックの製造方法を提供する。製造方法は積層材を、加熱により固化する接着剤を介して、ガイドボックス内に所定の順番に積層する積層プロセスと、ガイドボックス内に積層された積層材に熱圧縮を加えて、積層材を一体化する一体化プロセスと、を含む。

この発明はまた、所定の順番で配列された複数の積層材を備える燃料電池スタック、の製造装置を提供する。製造装置は、積層材を、加熱により固化する接着剤を介して、ガイドボックス内に所定の順番に積層するガイドボックスと、ガイドボックス内に積層された積層材に熱圧縮を加える熱圧縮メカニズムと、を備える。

この発明はまた、電解質膜を一対のセパレ一タで挟持した燃料電池、の製造方法を提供する。製造方法は、一対のセパレ一タを所定の隙間をあけて対峙させるセパレータ配置プロセスと、電解質膜の両面に搬送気流を適用して電解質膜を隙間に侵入させる電解質膜侵入プロセスと、を含む。

この発明はまた、電解質膜を一対のセ'パレ一タで挟持した燃料電池、の製造装置を提供する。製造装置は、一対のセパレ一タを所定の隙間をあけて対峙させるセパレータコンベアと、電解質膜の両面に搬送気流を適用して電解質膜を隙間に侵入させる搬送ノズルと、を備える。

この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。図面の簡単な説明

FIG. 1 はこの発明による燃料電池スタック製造装置の概略縦断面図である。

FIG. 2は燃料電池スタック製造装置の概略背面図である。

FIG. 3は燃料電池スタック製造装置の概略側面図である。

FIG. 4は燃料電池スタック製造装置が製造する燃料電池スタックの要部縦断面図であ

FIG. 5は端部セパレ一タの積層動作を説明する燃料電池スタック製造装置の概略縦断面図である。

FIG. 6は MEAの積層動作を説明する燃料電池スタック製造装置の概略縦断面図であ

FIG. 7は中間セパレータの積層動作を説明する燃料電池スタツク製造装置の概略縦断面図である。

FIG. 8はホットプレスを説明する燃料電池スタック製造装置の概略縦断面図である。 FIG. 9 はこの発明の第 2の実施例による燃料電池製造装置の概略縦断面図である。 FIG. 10は FIG. 9の要部の拡大図である。好ましい実施例の説明図面の FIG. 4を参照して、この発明の第 1の実施例による燃料電池スタック製造装置が製造する燃料電池スタック 1 についてまず説明する。 ·

燃料電池スタック 1 は、固体高分子型電解質膜 3の両面に、アノードと力ソードを構成する触媒層 13をコーティングし、さらに触媒層 13をガス拡散層（GDL) 4で覆った膜電極複合体（MEA) 2を備える。

固体高分子型電解質膜 3 はパ一フルォロエチレンスルホン酸榭脂膜で構成される。触媒層 13は白金を主体とし、固体高分子型電解質膜 3の中央領域にコーティングされる。

GDL 4は撥水処理した、カーボンクロスやカーボンぺ一パで構成され、フレーム 4Bの内側に取り付けられる。 GDL 4は、電解質溶液による定着効果、または熱硬化性接着剤による部分的な熱接着により、触媒層 13を覆うように固体高分子型電解質膜 3に固着する。以下の説明では、ァノ一ドを覆う GLD 4をァノード側 GDL、力ソードを覆う GLD 4をカソード側 GLD 4 と称する。

MEA 2はセパレータ 5A, 5Bまたは 6 と交互に積層される。

セパレ一夕 6は MEA 2の間に介在する中間セパレ一タであり、セパレータ 5Aと 5Bは燃料電池スタック 1の両端にそれぞれ配置される端部セパレータである。

中間セパレータ 6には、 MEA 2のァノード側 GDL 4に臨む溝状のァノードガス通路 10Aと、隣の MEA 2のカソード側 GDL 4に臨む溝状のカソードガス通路 10B が形成される。端部セパレ一タ 5Aにはァノードガス通路 10Aのみが、端部セパレータ 5Bにはカソ一ドガス通路 10Bのみが形成される。セパレータ 5A, 5B及ぴ 6は、グラフアイト粉とプラスチック粉とを混合して金型による加熱プレスにより圧縮成形することで、あるいは膨張黒鉛シートをプレス成形することで形成される。セパレ一タ 5A， 5B及び 6を金属材料で構成することも可能である。金属材料を用いることで、電気抵抗を小さく、ガス透過性を低く、機械的強度を強くでき、板厚を薄くできる、という好ましい効果力 ^s得られる。しかしながら、セパレータは酸化雰囲気と還元雰囲気の双方に曝されるので、耐食性金属を用いるか、金属メツキなどの表面処理によつて耐食性を確保する必要がある。セパレータ 5A， 5B及び 6は接着剤 7を用いて GDL 4に固定される。接着剤 7はフヱノール系やエポキシ系の熱硬化性樹脂を主成分とし、セパレータ 5A, 5B及ぴ 6 と GDL 4 との接着はホットプレスにより行う。セパレータ 5Aと 6のァノードガス通路 10Aには水素リツチガス力 ^?供給される。セパレ一タ 5B と 6のカソ一ドガス通路 10B には空気力 ^?供給される。セパレータ 5A, 5B及ぴ 6の外周にシ一ル溝 15力 ^?形成される。シール溝 15にはシ一ル材 14 が配置される。シール材 14は、 GDL 4のフレーム 4Bに接することで、アノードガス通路 10Aとカソードガス通路 10Bからのガスのリークを防止する。

燃料 ¾池スタック 1 はこのようにして、セパレータ 5Aと 5Bの間に所定数の MEA 2 と中間セパレー夕 6を交互に積層することで構成される。これらの積層体はさらにェンドブレートを介してボルトとナットにより積層方向に締め付けられる。以上の燃料電池スタツク 1 を製造する製造装置について次に説明する。

FIG. 1 を参照すると、この発明の第 1の実施例による燃料電池スタック製造装置は、ケース 25内に構成された積層材供給ュニット 20と、ケース 25の外側に位置するスタック形成ュニット 24からなる。積層材供給ュニット 20は、中間セパレータ供給ュニット 21、端部セパレータ供給ュニット 22及ぴ MEA供給ュニット 23を備える。

中間セパレ一タ供給ュニット 21は、中間セパレータ 6をストックするカセット 21Aを備える。カセット 21Aはスライドレールを介して、 FIG. 2に示すようにケース 25の背面に形成した開口部からケース 25内に搬入される。カセット 21Aには搬入と搬出のための把手 21B力取り付けられている。カセット 21Aは底部にスプリング 21Cにより上向きに付勢された受け台 21Dを備える。中間セパレー夕 6は受け台 21 に重ねて載置され、重なりの上端をカセット 21Aの上部に取り付けたストツバ 21Eに当接する。中間セパレー夕供給ュニット 21は、カセット 21Aから最上部の中間セパレータ 6を送り出すための送り出しローラ 21Fを備える。カセット 21Aは送り出しローラ 21Fの回転に応じて最上部の中間セパレ一タ 6をカセット 21Aから送り出すための開口部を有する。

中間セパレータ供給ュニット 21は、カセット 21Aの開口部の前方に一対の帯電ローラ 30Aと、一対の感光ドラム 31Aを備える。

帯電ローラ 30Aは送り出しローラ 21Fに送り出された中間セパレー夕 6に対して、外部から供給される高圧電力に応じたコロナ放電により正電荷を付与する。一対の感光ドラム 31Aは、表面に非晶質セレンまたは酸化亜鉛をコーティングした樹脂製のドラムであり、それぞれ帯電ローラ 32Aと接触する。帯電ローラ 32Aは外部から供給される高圧電力に応じたコロナ放電により感光ドラム 31Aに対して負電荷を与える。中間セパレータ供給ュニット 21は、感光ドラム 31Aに臨む一対のレーザ発振器 35を備える。レーザ発振器 35は光学レンズを通したレーザ光を感光ドラム 31 の回転軸方向に走査させる。レーザ光を走査に応じて感光ドラム 31 を回転させると、走査部分の感光ドラム 31Aの表面の電荷が消失する。さらに、レーザ光を点滅制御することで、感光ドラム 31Aの表面に任意のパターンで電荷消失部を形成することができこのようなレーザ発振器 35 と感光ドラム 31Aの組み合わせは、レーザスキャナュニットとして公知である。燃料電池スタック製造装置においては、アノードガス通路 10Aと力ソードガス通路 10Bを除く、接着剤 7の付着位置に、電荷消失部を形成す

Ό o

中間セパレータ供給ュニット 21は、感光ドラム 31Aに当接する粉末ローラ 33A を備える。粉末ローラ 33Aは、負電荷に帯電した熱硬化性接着剤粉末を貯留する粉末容器 3 Aを備え、回転に応じて感光ドラム 31Aの電荷消失部に熱硬化性接着剤粉末を付着させる。感光ドラム 31Aのそれ以外の表面は負電荷に帯電しているため、同じ負電荷の熱硬化性接着剤粉末は付着しない。

電荷消失部分に熱硬化性接着剤粉末を付着させた感光ドラム 31Aは、正電荷に帯電した中間セパレータ 6に接すると、負電荷に帯電した熱硬化性接着剤粉末を中間セパレータ 6の表面に付着する。このようにして中間セパレータ 6の表面に、所定のパターンで熱硬化性接着剤粉末が付着する。粉末容器 34Aへの熱硬化性接着剤粉末の供給のために、 FIG. 3 に示すように、ケース 25の側面に閉鎖可能な接着剤粉末供給用口 38力 s形成される。

中間セパレータ供給ュニット 21は、熱硬化性接着剤粉末を付着させた中間セパレータ 6を搬送ベルト 36Aで搬送し、スタック形成ュニット 24に臨むケース 25の開口部に設置された一対の排出ローラ 37Aの間からスタック形成ュニット 24へと送り出す。

MEA供給ュニット 23は、中間セパレー夕供給ュニット 21 の直下に位置する。 MEA供給ュニット 23は MEA 2をストックするカセット 23Aを備える。カセット 23Aの構成はカセット 21Aとほぼ同じであり、把手 23B、スプリング 23C、受け台 23D、ストツパ 23E、送り出しローラ 23Fを備える。カセット 23Bはさらにに加湿器 26を備える。加湿器 26には FIG. 2に示すケース 25の背面に設けた吸水口 26A から供給される水を蒸発させ、水蒸気をカセット 23Bの最上部に位置する MEA 2に供給し、 MEA 2を好ましい湿潤状態にする。

MEA供給ュニット 23は、加湿器 26により加湿した MEA 2 を送り出しローラ 23Fによってカセット 23Bの外側へ送り出す。 MEA供給ュニット 23は、カセット 23Bの前方に別の一対の送り出しローラ 27と、一方の送り出しローラ 27に掛け回された搬送ベルト 28を備える。送り出しローラ 27 と搬送ベルト 28によって搬送された MEA 2は、スタツク形成ュニット 24に臨むケース 25の開口部に設置された排出ローラ 37Aと 37Bの間からスタック形成ュニット 24へと送り出される。

端部セパレータ供給ュニット 22は MEA供給ュニット 23の直下に位置する。端部セパレータ供給ュニット 22の構成は、中間セパレータ供給ュニット 21 と同じである。すなわち、把手 22B、スプリング 22C、受け台 22D、ストッノ、 ° 22E、送り出しローラ 22Fを備えたカセット 22Aを備える。カセット 22Aには端部セパレータ 5Aと 5Bが交互にストツクされる。また、端部セパレータ 5Aと 5Bの表面に所定のパターンで熱硬化性接着剤粉末を付着させるために、端部セパレータ供給ュニット 22 は一対の帯電ローラ 30B、一対の感光ドラム 31B、一対の帯電ローラ 32B、一対のレーザ発光器 35B、粉末容器 34Bを備える一対の粉末ローラ 33Bを備える。これらの各一対の機材のうち上側に位置するものは、端部セパレータ.5Bに対して使用され、下側に位置するものは端部セパレータ 5Aに対して使用される。

端部セパレータ供給ュニット 22は、熱硬化性接着剤粉末を付着させた端部セパレータ 5Aと 5Bを送り出す搬送ベルト 36Bを備える。 .

搬送ベルト 36Bに搬送された端部セパレータ 5Aまたは 5Bは、スタツク形成ュニット 24に臨むケース 25の開口部に設置された一対の排出ローラ 37Bの間からスタック形成ユニット 24へと送り出される。なお、以下の説明では、ケース 25の開口部から送り出される中間セパレー夕 6、 MEA 2、端部セパレータ 5Aと 6Bを積層材と総称する。

スタツク形成ュニット 24は、ケース 25から所定の順番で送り出される積層材を、送り出された順番に積層するガイドボックス 40と、ガイドボックス 40の底に設けた昇降装置 42により昇降する昇降テーブル 41 と、ガイ-ドボックス 40内の積層材が所定の数量に達すると、昇降テーブル 41 と協働して、積層材に圧縮力を及ぼすプレス機 43を備える。

ガイドボックス 40は、ケース 25から送り出される積層材の先端に当接して位置決めを行う位置決め突起 40Aと、位置決め突起 40Aを一辺とする矩形水平断面、を備えるボックス部 40B と、ボックス部 40Bに備えたヒータ 40Cからなる。位置決め突起 40Aに先端を当接した積層材はボックス部 40Bの内側に順次積層され、ヒータ 40Cによる加熱下で、プレス機 43により圧縮され、一体化する。

昇降テーブル 41は、積層プロセスの初期には上昇位置にあり、積層材の積層が進むにつれて積層材の厚さ分ずつ下降し、積層された積層材の上端が常に同じ高さを維持するように制御される。昇降装置 42は、昇降テーブル 41 を支持する昇降口ッド 42B と、昇降口ッド 42B と一体のラクック 42Aと、ラック 42Aと嚙み合うピニォン 42C と、ピニオン 42C を回転させるスタンド 42Eに取り付けた電動モータ 42D からなる。電動モータ 42Dがピニオン 42Cを回転させると、ピニオン 42Cと嚙み合うラック 42Aが昇降口ッド 42B とともに、スタンド 42Eに対して垂直方向に相対変位し、昇降テーブル 41が昇降する。昇降装置 42 として、スクリユータイプの昇降メ力二ズムゃリニアシリンダを用いた昇降メカニズムを適用することも可能である

プレス機 43は、エアシリンダ 43Aの伸縮に応じて昇降するプレスへッド 43Bを備える。プレスヘッド 43Bはガィドボックス 40の内側に嵌合する矩形の押圧面を備える。

プレスヘッド 43B とヒータ 43Cにより、積層完了した燃料電池スタック 1 は、昇降テーブル 41の上昇操作により、ガイドボックス 40から取り出される。その際に上昇した燃料電池スタック 1 とプレスへッド 43B と力干渉しないように、プレスへッド 43Bの上昇位置が設定され、さらに積層体の圧縮位置を考慮してストローク距離力設定される。 '

次に FIGs. 5-8を参照して、燃料電池スタック製造装置による燃料電池スタックの製造プロセスを説明する。なお、製造プロセスの開始に先立ち、カセット 21A-23A には中間セパレー夕 6、 MEA 2及ぴ端部セパレ一タ 5Aと 5B をあらかじめストックし、帯電ローラ 30A, 30B， 31A, 31B と熱硬化性接着剤粉末に正電荷または負電荷に帯電させておく。スタック形成ュニット 24においては、昇降テーブル 41 とプレスヘッド 43Bをともに上昇位置に保持しておく。なお、各積層材のシール溝 15にはあらかじめシール材 14を嵌めておく。また、 MEA供給ユニット 22においては、 MEA 2カ¾口湿器 26により適切に加湿されているものとする。

FIG. 5 を参照すると、燃料電池スタック製造装は最初に端部セパレータ供給ュニット 22を運転し、送り出しローラ 22Fを作動させて、端部セパレータ 5Bを-—対の帯電ローラ 30Bの間へ送り出し、帯電ローラ 30Bにより端部セパレ一タ 5Bの表面を正電荷に帯電させる。一方、感光ドラム 31Bにおいては、帯電ローラ 32B と、レーザ発光器 35B と、粉末ローラ 33B によって所定のパターンで熱硬化性接着剤粉末をドラムの表面に付着させる。

ここで、端部セパレータ 5Bの MEA 2 との接着面は FIG. 4に示すように上面のみである。したがって、端部セパレータ 5Bに関して端部セパレータ供給ュニット 22 は、各一対の帯電ローラ 30B と 32B、感光ドラム 31B、粉末ローラ 33B、レーザ発光器 35Bのうち上側に位置している機器のみを作動させ、端部セパレータ 5Bの上面にのみ熱硬化性接着剤粉末を付着させる。ここで、熱硬化性接着剤粉末を付着させるのは端部セパレータ 5Bの上面のシール溝 15に囲まれた領域であって、カソードガス通路 10Bを除く所定の部分である。

このようにして、上面の所定部分に熱硬化性接着剤粉末を付着させた後、一対の感光ドラム 31Bの間から送り出された端部セパレ一タ 5Bは、 ί般送ベルト 36Βにより搬送され、ケース 25の開口部に設置された一対の排出ローラ 37Βの間から、スタツク形成ュニット 24のガィドボックス 40内の昇降テ一ブル 41の上に送り出される。この時、位置決め突起 40Α力耑部セパレータ 5Βの先端に当接して、端部セパレー夕 5Βの位置決めを行う。

端部セパレー夕 5Βが昇降テーブル 41 に載ると、昇降装置 42が昇降テーブル 41 を端部セパレ一タ 5Βの厚さ相当分下降させる。結果として、端部セパレ一タ 5Βの上面は、図の昇降テーブル 41の上面と同じ高さに支持される。

FIG. 6 を参照すると、燃料電池スタック製造装置は次に MEA供給ュニット 23を運転し、送り出しローラ 23Fを作動させて、カセット 23Bの最上部の MEA 2を力セット 23Bの外側へ送り出す。さらに、一対の送り出しローラ 27と、搬送ベルト 28を作動させて、 MEA 2をケース 25の開口部に設置された排出ローラ 37Aと 37Bの間から、ガイドボックス 40内の端部セパレータ 5Bの上に送り出す。この時、 '位置決め突起 40Aが MEA 2の先端に当接して、 MEA 2の位置決めを行う。

MEA 2力端部セパレータ 5Bの上に載ると、昇降装置 42が昇降テーブル 41 を MEA 2の厚さ相当分下降させる。結果として MEA 2の上面は、図の端部セパレータ 5Bの上面と同じ高さに支持される。

FIG. 7を参照すると、燃料電池スタック製造装置は次に中間セパレータ供給ュニット 21 を運転し、送り出しローラ 21Fを作動させて、カセット 21Bの最上部の中間セパレ一タ 6を一対の帯電ローラ 30Aの間へ送り出し、帯電ローラ 30Aにより中間セパレータ 6の表面を正電荷に帯電させる。一方、感光ドラム 31Aにおいては、帯電ローラ 32Aと、レーザ発光器 35Aと、粉末ローラ 33Aよつて所定のパターンで熱硬化性接着剤粉末がドラムの表面に付着させる。中間セパレータ 6は FIG. 4に示すように上面と下面の双方が MEA 2に接着する。したがって、中間セパレ一タ 6の上面と下面の双方を正電荷に帯電させ、一対の感光ドラム 31Aの双方に熱硬化性接着剤粉末を付着させる。

その結果、一対の感光ドラム 31Aから送り出される中間セパレータ 6においては、上面のシール溝 15に囲まれた領域であって、カソードガス通路 10Bを除く所定の部分と、下面のシール溝 15に囲まれた領域であって、アノードガス通路 10Aを除く所定の部分とに、それぞれ熱硬化性接着剤粉末が付着している。 '

このようにして、上面と下面の所定部分に熱硬化性接着剤粉末を付着させた後、一対の感光ドラム 31Aの間から送り出された中間セパレ一タ 6は、搬送ベルト 36Aにより搬送され、ケース 25の開口部に設置された一対の排出ローラ 37Aの間から、スタック形成ュニット 24のガイドボックス 40内の MEA 2の上に送り出される。この時、位置決め突起 40Aが中間セパレ一タ 6の先端に当接して、中間セパレータ 6 の位置決めを行う。

中間セパレータ 6が MEA 2に載ると、昇降装置 42が昇降テーブル 41 を中間セパレ一タ 6の厚さ相当分下降させる。結果として、中間セパレータ 6の上面は、図の MEA 2の上面と同じ高さに支持される。

以後、燃料電池スタック製造装置は FIG. 6に示す MEA供給ュニット 23 との運転と、 FIG. 7に示す中間セパレ一タ供給ュニット 21の運転とを所定回数に渡って交互に実施して、ガイドボックス 40内に MEA 2 と中間セパレータ 6を交互に積層する。昇降装置 42はこれらの積層材が積層されるたびに、積層材の厚さ相当分昇降テーブル 41 を下降させる。 MEA 2 と中間セパレ一タ 6の所定回数の積層力 ^s完了すると、燃料電池スタツク製造装置は再び端部セパレ一タ供給ュニット 22を運転する。この時点では、カセット 22Aの最上部には端部セパレータ 5Aが格納されている。燃料電池スタック製造装置は送り出しローラ 22Fを作動させ、端部セパレータ 5Aを一対の帯電ローラ 30Bの間へ送り出し、帯電ローラ 30Bにより端部セパレータ 5Aの表面を正電荷に帯電させる o

感光ドラム 31Bにおいては、帯電ローラ 32B と、レーザ発光器 35B と、粉末口一ラ 33B とが協働して所定のパターンで熱硬化性接着剤粉末をドラムの表面に付着させる。端部セパレータ 5Aの MEA 2との接着面は FIG. 4に示すように下面のみである。したがって、端部セパレータ 5Bに関して端部セパレータ供給ュニット 22は、各一対の帯電ローラ 30B と 32B、感光ドラム 31B、粉末ローラ 33B、レーザ発光器 35Bのうち下側に位置している機器のみを作動させ、端部セパレータ 5Aの下面にのみ熱硬化性接着剤粉末を付着させる。ここで、熱硬化性接着剤粉末を付着させるのは端部セパレータ 5Aの下面のシール溝 15に囲まれた領域であって、ァノードガス通路 10Aを除く所定の部分である。

このようにしてい、下面の所定部分に熱硬化性接着剤粉末を付着させた後、一対の感光ドラム 31Bの間から送り出された担部セパレータ 5Aは搬送ベルト 36Bにより搬送され、一対の排出ローラ 37Bの間から、ガイドボックス 40内の MEA 2の上に送り出される。

FIG. 8を参照すると、燃料電池スタック製造装置はすべての積層材が積層されると、ヒータ 40Cをオンにしてガイドボックス 40内の積層材を加熱する。積層材が所定温度に達すると、エアシリンダ 43Aを伸長させ、プレスヘッド 43Bを下降させて、積層体を圧縮する。

この熱圧縮の結果、積層体の間に介在する熱硬化性接着剤粉末が硬化して、積層体同士を接着し、一体化された燃料電池スタック 1力 ^s形成される。

燃料電池スタック製造装置は、その後エアシリンダ 43Aを収縮させて、プレスへッド 43Bを上昇位置に戻す一方、昇降装置 42を駆動して昇降テーブル 41 をガイドボックス 40の上方へと上昇させる。ガイドボックス 40の上まで上昇した燃料電池スタック 1 はスタック形成ュニット 24から撤去され、別ュニットの装置において、エンドプレートとボルト、ナットにより積層方向に締め付けられる。

燃料電池スタック製造装置は、以上の作業を繰り返し実行することで、燃料電池スタック 1 を次々と作成する。

以上の実施例では、積層材間の接着に熱硬化性接着剤粉末を用いてるいる力 ^?、熱硬化性接着剤粉末の代わりに熱可塑性接着剤を用いても良い。

感光ドラム 31の吸着力を高めるために、熱硬化性接着剤粉末にキャリアと称する磁性粒子を混入しても良い。ただし、セパレ一タ 5A, 5B及び 6の材質によっては磁性粒子が電蝕を起こす可能性があり、磁性粒子の混入の可否はセパレータ 5A，5B及ぴ 6の材質に依存する。

あらかじめ固体高分子型電解質膜 3 と GLD 4 とを一体化した MEA 2をカセット 23Aにストックする代わりに、これらの部材を異なるカセットから個別にガイドボックス 40に供給し、スタック形成ュニット 24における熱圧縮により一体化することも可能である。

セパレータ 5A， 5B及び 6には、ァノ一ドガス通路 10A及び/ またはカソ一ドガス通路 10Bのみを形成している力 ^?、他に冷却液の通路や加湿用の水通路を形成したセパレータを用いることも可能である。

この燃料電池スタック製造装置によれば、ガイドボックス 40により積層材を正確に位置決めしつつ、燃料電池スタック 1 を少ないコストで製造することができる。

2004年 5月 20 日を出願日とする日本国における特願 2004-150157号の内容をここに引用により合体する。

次にこの発明の第 2の実施例を説明する。

FIG. 9 を参照すると、この実施例による燃料電池製造装置は、電解質膜 105 と、一対のセパレータ 120と、触媒層をコーティングした一対のガス拡散層（GDL) 121 と、を一体化することで燃料電池を組み立てる。

燃料電池製造装置は、セパレ一夕 120と GDL 121 をセパレー夕/ GDLアッセンプリ 102 として一体化する一対のサブ組立ライン 101Aと 101B と、一対のセパレ一タ /GDLアッセンプリ 102の間に電解質膜 104を供給する電解質膜供給ュニット 104と、一対のセパレータ /GDLアッセンブリ 102で電解質膜 104を挟持して一体化する一体化ュニット 103を備える。

サブライン 101Aと 101Bの一方は、燃科電池のァノ一ド側のセパレ一タ /GDLアツセンブリ 102を組み立て、もう一方は、、燃料電池のカヌード側のセパレータ /GDL アッセンブリ 102を組み立てる。

サブライン 101Aと 101Bはそれぞれ、セパレータコンベア 118を備え、セパレータコンベア 118力 ^?搬送するセパレータ 120に、 GDL接合ステージ 116 と、シール組み込みステージ 117で処理を施すことで、セパレータ /GDL アッセンプリ 102を製造する。セパレータコンベア 118はさらに完成したセパレータ /GDLアッセンブリ 102を、一体化ュニット 103へと搬送する。セパレータコンベア 118には一定間隔でセパレ一タ 120力供給される。

セパレータコンベア 1 18はセパレータ 120を所定位置に保持するための保持構造を備える。保持構造として、セパレ一タ 120の前後の側面に溝を形成し、この溝に係合する爪をセパレータコンベア 118に設けること力 ^?考えられる。この場合に、セパレータコンベア 118へのセパレ一タ 120の供給は、セパレータ 120の溝にセパレータコンベア 118の爪を侵入させつつ、セパレータ 120をセパレータコンベア 118の側方から中央に向けてスライドさせることで行う。また、完成状態の燃料電池のセパレー夕コンベア 118からの取り外しは、セパレ一タ 120 をセパレ一タコンベア 118の側方へとスライドさせることで行う。

なお、 FIG. 9は燃料電池製造装置の構成を概念的に示すものであり、構成部材の物理的な寸法を示すものではない。例えばセパレータコンベア 118の屈曲部の半径は、図示された状態よりずっと大きく、また屈曲角度も 180度とは限らない。

サブライン 101Aと 101Bは、 GDL接合ステージ 116 とシール組み込みステージ 117にそれぞれ治具 122を備える。 GDL接合ステージ 116の治具 122は GDL 121 を把持し、セパレ一タコンベア 118カ搬送中のセパレータ 120に GDL 121 を接合する。セパレータ 120の GDL 121 との接合面にはあらかじめ接着剤が塗布されており、この操作の結果、セパレ一タ 120と GDL 121が一体化される。一方、 GDL 121 の治具 122に臨む面にはあらかじめ、ァノードまたはカソードを構成する触媒、を含む電解質が塗布などの方法でコ一ティングされている。

シール組み込みステージ 117の治具 122はシ一ル材 123を把持する。シール材 123にはあらかじめ接着剤が塗布されている。治具 122はセパレータコンベア 118 力搬送中のセパレータ 120に、 GDL 121の外側において、シール材 123を接着する。セパレータコンベア 118は、サブライン 101Aと 101Bでこのようにして組み立てられた一対のセパレー夕/ GDLアッセンブリ 102を、相対する向きで一体化ュニット 103へと搬送する。

一方、電解質膜供給ュニット 104は、電解質膜 105を巻いたロール 107と、口一ル 107から電解質膜 105を一体化ュニット 103へと送り出す一対の搬送ノズル 109Aと、一対の整流板 109Bと、吸引装置 110と、剥離ノズル 108を備える。ロール 107はサーボモ一夕に回転駆動される。

電解質膜 105は固体高分子型電解質膜で構成され、表面を保護フィルム 106で保護した状態で、ロール 107として燃料電池製造装置に供給される。保護フィルム 106 は電解質膜 105がロール状に巻かれる際に電解質膜 105同士の接触により生じる不具合を防止するとともに、搬送あるいは保管時の電解質膜 105の湿度劣化を防止する機能を果たす。

一対の搬送ノズル 109Aはロール 107から引き出された電解質膜 105の両面に、電解質膜 105を一体化ュニット 103に向けて誘導する搬送気流を噴出する。一対の整流板 109Bは搬送気流を一体化ュニット 103に向けて整流する。また、吸引装置 110は一体化ュニット 103を通過した搬送気流を電解質膜 105 とともに吸引する。これにより、電解質膜 105を適度の張力のもとで牽引し、電解質膜 105の搬送機能を高めるとともに、電解質膜 105のシヮゃ弛みを防止して、電解質膜 105の好ましい平面形状を維持する。，

搬送ノズル 109Aが吹き出す搬送気流の湿度を適切に管理することにより、電解質膜 105を好ましい含水率に維持しつつ統合ュニット 103に供給することができる。剥離ノズル 108は、サーボモータの回転と搬送ノズル 109Aの搬送気流によってロール 7から送り出される電解質膜 105 と保護フィルム 106の間に保護フィルム除去気流を噴出し、電解質膜 105から保護フィルム 106を剥離させる。電解質膜 105 と保護フィルム 106 との間への保護フィルム除去気流の侵入を容易にするために、剥離ノズル 108の先端はロール 7の曲線部分を向くようにセットされる。好ましくは、保護フィルム除去気流についても湿度を適切に管理して、一体化ュニット 103に高品質の電解質膜 105を供給する。

剥離ノズル 108から噴出する保護フィルム除去気流は、図に示すように、電解質膜 105の送り出し方向と逆向きである。したがって、保護フィルム除去気流は一体化ュニット 103に向けて送り出される電解質膜 105に適度の張力を与えて、弛みを防止する作用をもたらす。以上の構成のもとで、電解質膜供給ュニット 104はロール 7から電解質膜 105を一体化ュニット 103に向けて徐々に送り出す。電解質膜供給ュニット 104は一体ユニット 103の作業中は、電解質膜 105の送り出しを行わない。そのため、電解質膜 105の送り出しは一体化ュニット 103の作業に応じて断続的に行われる。また、一対のセパレータコンベア 118についても、 GDL接合ステージ 116とシール組み込みステージ 117及ぴ一体化ュニット 103の作業中は、セパレータ 120の搬送を行わない。このために、 GDL接合ステージ 116 とシール組み込みステージ 117及ぴ一体化ュニット 103の各作業は同期して行うようにする。

一体化ュニット 103は、一対のセパレータコンベア 118によって搬送されたセパレータ /GDLアッセンブリ 102を、それらの間に搬送された電解質膜 105の所定位置に接合する。そのために、一体化ュニット 103はセパレータ /GDLアッセンブリ 102を電解質膜 105に圧着する圧着治具と電解質膜 105を切断する力ッ夕とを備える o

電解質膜供給ユニット 104によって、一対のセパレ一タ /GDLアッセンプリ 102 の間に電解質膜 105を侵入させた後、 --体化ュニット 103は、圧着治具を駆動して一対のセパレータ /GDLアッセンプリ 102を電解質膜 105に圧着する。また、カツタを駆動して整流板 109B と一体化ュニット 103 との間で電解質膜 105を切断する。 GDL 121の表面には電解質がコーティングされており、圧着治具の押し付け力により、電解質が GDL 121 と電解質膜 105 との接合面に隙間なく密着し、セパレータ /GDLアッセンプリ 102を電解質膜 105に一体化する。圧着治具に加熱装置を併設することも好ましい。

この燃料電池製造装置においては、サブライン 101Aと 101Bにおいて、一対のセパレータ /GDLアッセンブリ 102が同期的に製造され、セパレ一タコンベア 118によって同期的に一体化ュニット 103に搬送される。電解質膜供給ュニット 104によ ' る電解質膜 105の送り出しはセパレータコンベア 118によるセパレータ /GDLアツセンプリ 102の搬送と同期して行われる。したがつて、電解質膜供給ュニット 104 は 1 スパン分の電解質膜 105の送り出しと、 GDL接合ステージ 116とシール組み込みステージ 117及び一体化ュニット 103における処理期間中の待機とを、交互に繰り返す。

待機状態の電解質膜供給ュニット 104は、ロール 7を駆動するサ一ポモータを停止させ、搬送ノズル 9Aから吹き出す搬送気流によって電解質膜 105を先端が整流板 9Bの間から僅かに一体化ュニット 103に向けて突出した状態で保持する。電解質膜 105を送り出す場合には、サーボモータによってロール 7を回転させると、電解質膜 105力 s搬送ノズル 9Aと吸引装置 110による所定の張力を保って一体化ュニット 103 へと送り出される。電解質膜 105の送り出しは、好ましくは 1 スパン分を一度に行わずに、間欠的にセパレータ /GDLアッセンブリ 102の間に送り込む。セパレ一タ /GDL アッセンプリ 102の間に送り込まれた電解質膜 105は、治具がセパレータ /GDLァッセンプリ 102を圧着するまでは、搬送ノズル 9Aが吹き出す搬送気流によつて、両側のセパレー夕 /GDL アッセンブリ 102 と非接触状態を保つ。

電解質膜 105が FIG. 10に示すように、セパレ一タ /GDL アッセンブリ 102の間に全面的に侵入した後、治具がセパレータ /GDL アッセンブリ 102を電解質膜 105 に圧着する。

以上のプロセスを繰り返すことで、燃料電池が次々と出来上がる。出来上がった燃料電池はストック場所へと順次搬出される。

この実施例では、セパレ一タ /GDL アッセンブリ 102で電解質膜 105を挟持している力 ^s、セパレー夕 120を含まずに一対の GDL 121 のみで電解質膜 105を挟持するケースにおいてもこの発明を適用することができる。

以上のように、この燃料電池製造装置によれば、搬送ノズル 109Aから噴出する搬送気流によって電解質膜 105を送り出すので、電解質膜 105に傷や異物力付着するのを防止できる。また、送り出される電解質膜 105に搬送気流力 ^?適度の張力を及し、電解質膜 105にシヮゃ弛みができるのを防止する。したがって、電解質膜 105を好ましい状態で一体化ュニット 103に供給することができる。

2003年 11月 20日を出願日とする日本国における特願 2003-391044号の内容をここに引用により合体する。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさよざまな修正あるいは変更を加えることカ^?可能である。適用産業分野以上のように、この発明は、ガイドボックスを用いて積層材を積層するので、簡易な構成で積層材の位置決めを精度良く行える。また、燃料電池スタックを少ないコストで製造することができる。この発明は、特に固体高分子型の燃料電池スタックの製造に適用することで好ましい効果をもたらす。

この発明の実施例力包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims

請求の範囲

1. 所定の順番で積層された複数の積層材（2, 5A, 5B, 6) を備える燃料電池スタック (1)の製造方法において：

積層材（2, 5A, 5B, 6)を、加熱により固化する接着剤（7) を介して、ガイドボックス（40)内に所定の順番に積層する積層プロセスと；

ガイドボックス（40)内に積層された積層材（2, 5A, 5B, 6)に熱圧縮を加えて、積層材（5A, 5B, 6)を一体化する- 体化プロセスと；

を含む。

2. クレーム 1 の製造方法において、積層プロセスは、接着剤（7) を表面に適用した積層材（5A， 5B, 6) の間に、接着剤（7) を適用しない積層材（2) を挟み込むプロセスを、含む。

3. クレーム 2の製造方法において、接着剤（7) を適用しない積層材（2) は、ガスの供給に応じて発電反応を生起する膜電極複合体（2) を含み、接着剤（7) を表面に適用した積層材（5A, 5B, 6) は、膜電極複合体（2) にガスを供給するガス通路（10A， 10B) を形成したセパレータ（5A， 5B, 6)を含む。

4. クレーム 3 の製造方法において、製造方法は膜電極複合体（2) を加湿するプロセス、をさらに含む。

5. クレーム 3 または 4の製造方法において、製造方法は、セパレータ（5A， 5B, 6) の帯電させた表面に、逆の極性に帯電した接着剤（7) の粉末を、付着させる粉末付着プロセス、をさらに含む。

6. クレーム 5 の製造方法において、粉末付着プロセスは、所定の帯電パターンのもとで接着剤（7) の粉末を吸着した感光ドラムを介して、セパレータ（5A, 5B, 6) の表面に接着剤（7)の粉末を付着させるプロセスを含む。

7. クレーム 3の製造方法において、セパレータ（5A, 5B, 6)は両面にガス通路（10A， 10B)を形成した中間セパレ一夕（6) と、片面にのみガス通路（10A, 10B) を形成した端部セバレータ（5A, 5B) とを備え、積層プロセスは、ガイドボックス（40)内に最初に端部セバレ一タ（5A, 5B) を積層するプロセスと、ガイドボックス（40)内に最後に端部セバレータ（5A， 5B)を積層するプロセスとを含む。

8. クレーム 1 の製造方法において、積層プロセスはガイドボックス（40) 内に積層された積層材（2, 5A, 5B, 6) の厚さの増大に応じて、ガイドボックス（40) 内に積層された積層材， 5A, 5B, 6)の支持位置を低下させるプロセスをさらに含む。

9. 所定の順番で積層された複数の積層材（2， 5A, 5B, 6) を備える燃料電池スタツク ( 1)、の製造装置において：

積層材（5A, 5B, 6)を、加熱により固化する接着剤（7)を介して、ガイドボックス (40)内に所定の順番に積層するガイドボックス（40) と；

ガイドボックス（40)内に積層された積層材（5A, 5B, 6)に熱圧縮を加える熱圧縮メ力ニズム（40C， 43) と；

¾r備；^る。

10. クレーム 9 の製造装置において、製造装置は、接着剤（7) を表面に適用した積層材（5A， 5B, 6)と、接着剤（7)を表面に適用しない積層材（2) とを交互にガイドボックス（40)に供給する積層材供給ュニット（20)、をさらに備える。

11. 電解質膜（102) を一対のセパレータ（120) で挟持した燃料電池、の製造方法において：

一対のセパレータ（120)を所定の隙間をあけて対峙させるセパレータ配置プロセスと；

電解質膜（105)の両面に ί般送気流を適用して電解質膜（105)を隙間に侵入させる電解質膜侵入プロセスと；

を含む。

12. クレーム 11の製造法法において、燃料電池はセパレータ（120) と電解質膜（102) との間にガス拡散層 (121) を備え、製造方法はセパレータ配置プロセスの実行に先立ち、各セパレ一夕（120)にガス拡散層（121)を固定するプロセスを、さらに含む。

13. クレーム 11の製造方法において、製造方法は一対のセパレータ（120)の間に侵入した電解質膜（105)を搬送気流とともに吸引するプロセス、をさらに含む。

14. クレーム 1 1 の製造方法において、製造方法は搬送気流を整流するプロセス、をさらに含む。

15. クレーム 11の製造方法において、電解質膜侵入プロセスは電解質膜（105) を間欠的に隙間に侵入させるプロセスを含む。

16. クレーム 11 の製造方法において、製造方法は搬送気流をあらかじめ所定の湿度に調整するプロセス、をさらに含む。

17. クレーム 11の製造方法において、電解質膜（105)は保護膜（106)に覆われた状態で提供され、製造方法は保護膜（106) を気流を用いて電解質膜（105)から剥離させるプロセス、をさらに含む。

18. クレーム 17の製造方法において、電解質膜（105)はロール（107) として提供され、電解質膜侵入プロセスはロール（107) を回転させつつロール（107)から電解質膜を引き出すプロセス、を含む。

19. 電解質膜（102) を一対のセパレータ (120) で挟持した燃料電池、の製造装置において：

一対のセパレータ（120)を所定の隙間をあけて対峙させるセパレータコンベア (118) と；

電解質膜（105)の両面に搬送気流を適用して電解質膜（105)を隙間に侵入させる搬送ノズル（109A) と；

¾備る o