(57)【要約】【課題】アセンブリを作成する工程で熱圧着によって基準が変形して、後工程において使えなくなることを防止して、燃料電池スタックの組み立て精度を向上する。【解決手段】この燃料電池スタックの製造方法は、工程１と工程２とを備える。工程１は、セパレータと熱可塑性の樹脂フレームとを積層して電池アセンブリを作成する工程であって、前記積層の際の前記セパレータと樹脂フレームとの位置決めを第１の基準に基づいて行う。第２の工程は、電池アセンブリを複数、積層する工程であって、前記積層の際の前記各電池アセンブリの位置決めを、前記第１の基準とは異なる形状である第２の基準に基づいて行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの製造方法であって、
セパレータと熱可塑性の樹脂フレームとを積層して電池アセンブリを作成する工程であって、前記積層の際の前記セパレータと樹脂フレームとの位置決めを第１の基準に基づいて行う工程と、
前記電池アセンブリを複数、積層する工程であって、前記積層の際の前記各電池アセンブリの位置決めを、前記第１の基準とは異なる形状である第２の基準に基づいて行う工程と、
を備える燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池スタックの製造方法では、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池を構成する樹脂フレームやセパレータなどの構成部材に穴をあけ、穴に治具の位置決めピンを貫通させることによって、各構成部材の位置を固定して積層を行う。なお、この積層の際には、構成部材を加熱して圧着することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７９０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、樹脂フレームを熱可塑性とした場合に、樹脂フレームに設けた穴が熱圧着によって変形し、後工程において積層を行う際に前記穴を位置決めに利用することができないことがあった。このために、燃料電池スタックの組立精度が低下するという問題が発生した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態は、燃料電池スタックの製造方法である。この燃料電池スタックの製造方法は；セパレータと熱可塑性の樹脂フレームとを積層して電池アセンブリを作成する工程であって、前記積層の際の前記セパレータと樹脂フレームとの位置決めを第１の基準に基づいて行う工程と；前記電池アセンブリを複数、積層する工程であって、前記積層の際の前記各電池アセンブリの位置決めを、前記第１の基準とは異なる形状である第２の基準に基づいて行う工程と；を備える。
【０００７】
この燃料電池スタックの製造方法によれば、電池アセンブリを作成する工程で第１の基準が変形したとしても、第２の基準を用いて、電池アセンブリの積層時の位置決めを行うことができる。このために、電池アセンブリの積層を高い位置決め精度で行うことができる。したがって、この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、燃料電池スタックの組立精度を向上することができる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池スタックの製造方法の各工程に対応する構成を備える燃料電池スタックの製造装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池スタックの製造方法を示す説明図である。
【図２】工程１において用意される樹脂フレームの平面図である。
【図３】工程１において用意されるセパレータの平面図である。
【図４】第２実施形態において用いられる樹脂フレームの平面図である。
【図５】第２実施形態において用いられるセパレータの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池スタックの製造方法を示す説明図である。この製造方法で製造される燃料電池スタックは、燃料電池の一単位を構成する電池アセンブリが複数個、積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。本実施形態では、燃料電池は固体高分子型である。
【００１１】
図１に示すように、この燃料電池スタックの製造方法によれば、電池アセンブリ（以下、単に「アセンブリ」と呼ぶ）を作成し（工程１）、作成したアセンブリを所定数、積層し（工程２）、締結する（工程３）ことにより、燃料電池スタックが製造される。
【００１２】
工程１では、発電体１０を収容した樹脂フレーム２０と、セパレータ４０とを用意し、樹脂フレーム２０の両面にセパレータ４０、４０を積層することによって、アセンブリ１００の作成を行う。この積層は、樹脂フレーム２０とセパレータ４０とを第１の基準に基づいて位置決めして行われる。第１の基準は、図中の破線によって挿通する基準穴であり、詳細については後述する。
【００１３】
発電体１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）の両面にガス拡散層を配置したものである。樹脂フレーム２０は、セパレータ４０、４０が短絡することを防止すると共に、発電体１０の内部を通過する流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）が外部に漏れ出すことを防止する機能を有する。樹脂フレーム２０は、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂により形成されている。セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性の機能を有し、例えば、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。
【００１４】
工程２では、工程１によって作成したアセンブリ１００を所定数、積層する。この積層は、各アセンブリ１００を第２の基準に基づいて位置決めして行われる。第２の基準は、図中の破線によって挿通する基準穴であり、詳細については後述する。
【００１５】
工程３では、工程２によって積層された所定数のアセンブリ１００を、締結部材（図示せず）を用いてその積層方向に所定の締結力が付加されるように締結する。
【００１６】
図２は、工程１において用意される樹脂フレーム２０の平面図である。図示するように、樹脂フレーム２０は、外形が矩形状であり、中央の開口部に発電体１０を収容している。樹脂フレーム２０の外縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体が流れる供給または排出用のマニホールドをそれぞれ構成する６つの貫通孔２１〜２６が形成されている。各貫通孔２１〜２６の周囲には、シリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタン等の熱硬化性の接着剤２８が塗布されている。
【００１７】
樹脂フレーム２０の一角には、樹脂フレーム２０用の第１の正基準穴３０ａと第２の正基準穴３０ｂとが形成されている。第１および第２の正基準穴３０ａ、３０ｂは、円形状である。また、樹脂フレーム２０における第１の正基準穴３０ａと第２の正基準穴３０ｂの対角位置には、樹脂フレーム２０用の第１の副基準穴３２ａと第２の副基準穴３２ｂとが形成されている。第１および第２の副基準穴３２ａ、３２ｂは、長穴形状である。第１の正基準穴３０ａと第１の副基準穴３２ａは、それぞれ、工程１において用いられる位置決め用の第１の基準である。第２の正基準穴３０ｂと第２の副基準穴３２ｂは、それぞれ、工程２において用いられる位置決め用の第２の基準である。
【００１８】
図３は、工程１において用意されるセパレータ４０の平面図である。図示するように、セパレータ４０も、外形が矩形状であり、外縁部には、前述した各マニホールドを構成する６つの貫通孔４１〜４６が形成されている。セパレータ４０の両面のうち中央である発電体１０と対向する面には、溝流路４７が形成されている。図中の太線は、ガスケット等のシール剤４８である。シール剤４８によって、燃料ガス用、酸化剤ガス用、または冷却媒体用のセル内流路が形成される。
【００１９】
セパレータ４０の一角には、セパレータ４０用の第１の正基準穴５０ａと第２の正基準穴５０ｂとが形成されている。第１および第２の正基準穴５０ａ、５０ｂは、樹脂フレーム２０用の第１および第２の正基準穴３０ａ、正基準穴３０ｂ（図２）と同様に、円形状である。また、セパレータ４０における第１の正基準穴５０ａと第２の正基準穴５０ｂの対角位置には、セパレータ４０用の第１の副基準穴５２ａと第２の副基準穴５２ｂとが形成されている。第１および第２の副基準穴５２ａ、５２ｂは、樹脂フレーム２０用の第１および第２の副基準穴３２ａ、３２ｂ（図２）と同様に、長穴形状である。第１の正基準穴５０ａと第１の副基準穴５２ａは、それぞれ、工程１において用いられる位置決め用の第１の基準である。第２の正基準穴５０ｂと第２の副基準穴５２ｂは、それぞれ、工程２において用いられる位置決め用の第２の基準である。
【００２０】
工程１において、樹脂フレーム２０の両面にセパレータ４０、４０を配置すると、樹脂フレーム側の基準穴３０ａ〜３２ｂとセパレータ４０側の５０ａ〜５２ｂとが、対応する位置にあるもの同士それぞれ連通する。連通する樹脂フレーム側の基準穴とセパレータ側の基準穴とのサイズを比較すると次のような寸法関係となる。樹脂フレーム２０側の第１の正基準穴３０ａ、第１の副基準穴３２ａは、セパレータ４０側の第１の正基準穴５０ａ、第１の副基準穴５２ａと比べて、それぞれ同じサイズである。一方、樹脂フレーム２０側の第２の正基準穴３０ｂ、第２の副基準穴３２ｂは、セパレータ４０側の第２の正基準穴５０ｂ、第２の副基準穴５２ｂと比べて、それぞれ一回り（後述する所定値α、βだけ）大きいサイズである。
【００２１】
上述した寸法関係を数式で示すと次の通りとなる。
Ｒ１＝Ｓ１
Ｒ３＝Ｓ３
Ｒ２＝Ｓ２＋α
Ｒ４＝Ｓ４＋β
【００２２】
ここで、
Ｒ１：樹脂フレーム２０（図２）における第１の正基準穴３０ａの半径
Ｒ２：樹脂フレーム２０（図２）における第２の正基準穴３０ｂの半径
Ｒ３：樹脂フレーム２０（図２）における第１の副基準穴３２ａの短軸の長さ
Ｒ４：樹脂フレーム２０（図２）における第２の副基準穴３２ｂの短軸の長さ
Ｓ１：セパレータ４０（図３）における第１の正基準穴５０ａの半径
Ｓ２：セパレータ４０（図３）における第２の正基準穴５０ｂの半径
Ｓ３：セパレータ４０（図３）における第１の副基準穴５２ａの短軸の長さ
Ｓ４：セパレータ４０（図３）における第２の副基準穴５２ｂの短軸の長さ
α：正の値であり、硬化時の膨張等を考慮して、熱変形してもセパレータ４０における第２の正基準穴５０ｂに影響を与えない寸法
β：正の値であり、硬化時の膨張等を考慮して、熱変形してもセパレータ４０における第２の副基準穴５２ｂに影響を与えない寸法
【００２３】
工程１においては、詳しくは、セパレータ４０、樹脂フレーム２０、セパレータ４０をこの順に積み上げて、樹脂フレーム２０の第１の正基準穴３０ａと各セパレータ４０の第１の正基準穴５０ａとに１本の位置決めピンを貫通させるとともに、樹脂フレーム２０の第１の副基準穴３２ａと各セパレータ４０の第１の副基準穴５２ａとに１本の位置決めピンを貫通させる。この状態で、樹脂フレーム２０と各セパレータ４０、４０とを加熱圧着する。この結果、セパレータ４０、樹脂フレーム２０、セパレータ４０の積層体であるアセンブリ１００が作成される。
【００２４】
工程２においては、詳しくは、各アセンブリ１００を積み上げて、各アセンブリ１００に備えられる樹脂フレーム２０の第２の正基準穴３０ｂと各セパレータ４０の第２の正基準穴５０ｂに１本の位置決めピンを貫通させるとともに、各アセンブリ１００に備えられる樹脂フレーム２０の第２の副基準穴３２ｂとセパレータ４０の第２の副基準穴５２ｂに１本の位置決めピンを貫通させる。なお、樹脂フレーム２０の第２の正基準穴３０ｂおよび第２の副基準穴３２ｂは、工程１における熱圧着の処理によって変形しているため、ピンは挿通されているが実際は、位置決めの基準とはなっていない。各位置決めピンが挿通されている状態で、各アセンブリ１００を加熱圧着する。この結果、各アセンブリ１００の間に位置する熱硬化性の接着剤が固化して、各アセンブリ１００の積層体が作成される。
【００２５】
以上、詳述したように、第１実施形態としての燃料電池スタックの製造方法によれば、樹脂フレーム２０に備えられる第２の正基準穴３０ｂと第２の副基準穴３２ｂは、セパレータ４０に備えられる第２の正基準穴５０ｂと第２の副基準穴５２ｂと比べて、それぞれ一回り大きいサイズとなっており、熱変形に対応できる形状となっている。従来、アセンブリを作成する工程で熱圧着の処理を行うと、基準穴に樹脂フレームの樹脂がはみ出して、後工程でその基準穴が使用できなくなる不具合があった。これに対して、本実施形態では、上述したように、樹脂フレーム２０に備えられる第２の正基準穴３０ｂと第２の副基準穴３２ｂは熱変形に対応できる形状となっていることから、工程１において、第２の正基準穴３０ｂおよび第２の副基準穴３２ｂに樹脂がはみ出すことがない。したがって、後工程である工程２において、第２の正基準穴３０ｂと第２の副基準穴３２ｂを用いて各アセンブリ１００を位置決めすることができることから、アセンブリの積層を高い精度で行うことができる。したがって、この第１実施形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、燃料電池スタックの組立精度を向上することができる。
【００２６】
また、第１実施形態としての燃料電池スタックの製造方法は、樹脂フレームとセパレータとの間で線膨張係数の差が大きい材料を組み付けることができることから、安価な材料を選定することができるという副次的な効果を奏する。さらに、工程１と工程２との間で基準穴のバリ取りを行う必要がないことから、工程低減とキズ等の品質不良の発生を抑制することができるという副次的な効果を奏する。
【００２７】
Ｂ．第２実施形態：
本発明の第２実施形態としての燃料電池スタックの製造方法は、第１実施形態としての燃料電池スタックの製造方法と同様に、樹脂フレームとセパレータとを積層することによってアセンブリを作成し（工程１）、作成したアセンブリを所定数、積層し（工程２）、締結する（工程３）ことにより、燃料電池スタックを製造する。第２実施形態では、工程１において用意する樹脂フレームとセパレータの形状が、第１実施形態と比較して相違する。
【００２８】
図４は、第２実施形態において用いられる樹脂フレーム２０の平面図である。図５は、第２実施形態において用いられるセパレータ４０の平面図である。第１実施形態では、工程１においてセパレータと樹脂フレームとを積層する際の位置決め基準を穴の形状としていたが、これに換えて、第２実施形態では、上記位置決め基準を外周の形状、すなわち外形とした。その上、本実施形態では、樹脂フレーム２０、セパレータ４０ともに、基準外形部を３箇所とした。
【００２９】
樹脂フレーム２０において、平面視における一方の短辺の一端に、第１の正基準外形部１３０ａと第２の正基準外形部１３０ｂとを形成した。さらに、平面視における一方の長辺における中央より一方側に、第１の副基準外形部１３２ａと第２の副基準外形部１３２ｂとを形成し、前記長辺における中央より一他方側に、第１の副々基準外形部１３４ａと第２の副々基準外形部１３４ｂとを形成した。
【００３０】
また、セパレータ４０において、樹脂フレーム２０と同様に、平面視における一方の短辺の一端に、第１の正基準外形部１５０ａと第２の正基準外形部１５０ｂとを形成した。さらに、平面視における一方の長辺における中央より一方側に、第１の副基準外形部１５２ａと第２の副基準外形部１５２ｂとを形成し、前記長辺における中央より一他方側に、第１の副々基準外形部１５４ａと第２の副々基準外形部１５４ｂとを形成した。
【００３１】
樹脂フレーム２０に設けられた各基準外形部１３０ａ〜１３４ｂ、およびセパレータ４０に設けられた各基準外形部１５０ａ〜１５４ｂは、山形（凸形状）となっている。なお、樹脂フレーム２０側の第１の正基準外形部１３０ａ、第１の副基準外形部１３２ａ、第１の副々基準外形部１３４ａは、セパレータ４０側の第１の正基準外形部１５０ａ、第１の副基準外形部１５２ａ、第１の副々基準外形部１５４ａと比べて、それぞれ同じ高さである。一方、樹脂フレーム２０側の第２の正基準外形部１３０ｂ、第２の副基準外形部１３２ｂ、第２の副々基準外形部１３４ｂは、セパレータ４０側の第２の正基準外形部１５０ｂ、第２の副基準外形部１５２ｂ、第２の副々基準外形部１５４ｂと比べて、それぞれ後述する所定値γ、δ、εだけ低い。
【００３２】
上述した寸法関係を数式で示すと次の通りとなる。
Ｍ１＝Ｎ１
Ｍ３＝Ｎ３
Ｍ５＝Ｎ５
Ｍ２＝Ｎ２−γ
Ｍ４＝Ｎ４−δ
Ｍ６＝Ｎ６−ε
【００３３】
ここで、
Ｍ１：樹脂フレーム１２０（図４）における第１の正基準外形部１３０ａの高さ
Ｍ２：樹脂フレーム１２０（図４）における第２の正基準外形部１３０ｂの高さ
Ｍ３：樹脂フレーム１２０（図４）における第１の副基準外形部１３２ａの高さ
Ｍ４：樹脂フレーム１２０（図４）における第２の副基準外形部１３２ｂの高さ
Ｍ５：樹脂フレーム１２０（図４）における第１の副々基準外形部１３４ａの高さ
Ｍ６：樹脂フレーム１２０（図４）における第２の副々基準外形部１３４ｂの高さ
Ｎ１：樹脂フレーム１２０（図４）における第１の正基準外形部１５０ａの高さ
Ｎ２：樹脂フレーム１２０（図５）における第２の正基準外形部１５０ｂの高さ
Ｎ３：樹脂フレーム１２０（図５）における第１の副基準外形部１５２ａの高さ
Ｎ４：樹脂フレーム１２０（図５）における第２の副基準外形部１５２ｂの高さ
Ｎ５：樹脂フレーム１２０（図５）における第１の副々基準外形部１５４ａの高さ
Ｎ６：樹脂フレーム１２０（図５）における第２の副々基準外形部１５４ｂの高さ
γ：正の値であり、硬化時の膨張等を考慮して、熱変形してもセパレータ４０における第２の正基準外形部１５０ｂに影響を与えない寸法
δ：正の値であり、硬化時の膨張等を考慮して、熱変形してもセパレータ４０における第２の副基準外形部１５２ｂに影響を与えない寸法
ε：正の値であり、硬化時の膨張等を考慮して、熱変形してもセパレータ４０における第２の副々基準外形部１５４ｂに影響を与えない寸法
【００３４】
工程１においては、詳しくは、セパレータ１４０、樹脂フレーム１２０、セパレータ１４０をこの順に積み上げて、樹脂フレーム１２０の第１の正基準外形部１３０ａと各セパレータ１４０の第１の正基準外形部１５０ａとに第１の位置決め用平面をあて、樹脂フレーム１２０の第１の副基準外形部１３２ａと各セパレータ１４０の第１の副基準外形部１５２ａとに第２の位置決め用平面をあて、さらに、樹脂フレーム１２０の第１の副々基準外形部１３４ａと各セパレータ１４０の第１の副々基準外形部１５４ａとに第３の位置決め用平面をあてる。この状態で、樹脂フレーム１２０と各セパレータ１４０、１４０とを加熱圧着する。この結果、セパレータ１４０、樹脂フレーム１２０、セパレータ１４０の積層体であるアセンブリが作成される。
【００３５】
工程２においては、詳しくは、工程１によって作成された各アセンブリを積み上げて、各アセンブリに備えられる各セパレータ１４０の第２の正基準外形部１５０ｂに第１の位置決め用平面をあて、各アセンブリ１００に備えられる各セパレータ１４０の第２の副基準外形部１５２ｂに第２の位置決め用平面をあて、各アセンブリ１００に備えられる各セパレータ１４０の第２の副々基準外形部１５４ｂに第３の位置決め用平面をあてる。なお、樹脂フレーム２０の第２の正基準外形部１３０ｂ、第２の副基準外形部１３２ｂ、および第２の副々基準外形部１３４ｂは、工程１における熱圧着の処理によって変形しているため、位置決めの基準とはなっていない。第１ないし第３の位置決め用平面があてられた状態で、各アセンブリを加熱圧着する。この結果、各アセンブリ１００の積層体が作成される。
【００３６】
以上、詳述したように、第２実施形態としての燃料電池スタックの製造方法によれば、樹脂フレーム１２０に備えられる第２の正基準外形部１３０ｂと第２の副基準外形部１３２ｂと第２の副々基準外形部１３４ｂは、セパレータ１４０に備えられる第２の正基準外形部１５０ｂと第２の副基準外形部１５２ｂと第２の副々基準外形部１５４ｂと比べて、それぞれ所定値だけ低くなっており、熱変形に対応できる形状となっている。このため、工程１において、セパレータ１４０に備えられる第２の正基準外形部１３０ｂ、第２の副基準外形部１３２ｂ、および第２の副々基準外形部１５４ｂにおいてその外側に樹脂がはみ出すことがない。
【００３７】
したがって、後工程である工程２において、第２の正基準外形部１３０ｂ、第２の副基準外形部１３２ｂ、および第２の副々基準外形部１５４ｂを用いて各アセンブリ１００を位置決めすることができることから、アセンブリの積層を高い精度で行うことができる。この結果、この第２実施形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、第１実施形態の燃料電池スタックの製造方法と同様に、燃料電池スタックの組立精度を向上することができるという効果を奏する。また、第１実施形態と同様に、安価な材料を選定することができること、工程低減とキズ等の品質不良の発生を抑制することができること等の副次的な効果を奏する。
【００３８】
Ｃ．変形例：
第１実施形態では工程１、工程２ともに位置決めに基準穴を用い、第２実施形態では工程１、工程２ともに位置決めに基準外形部を用いていたが、これに換えて、工程１においては基準穴を用い、工程２においては基準外形部を用いる構成、あるいは、工程１においては基準外形部を用い、工程２においては基準穴を用いる構成としてもよい。
【００３９】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…発電体
２０…樹脂フレーム
２１…貫通孔
２８…接着剤
３０ａ…第１の正基準穴
３０ｂ…第２の正基準穴
３２ａ…第１の副基準穴
３２ｂ…第２の副基準穴
４０…セパレータ
４１…貫通孔
４７…溝流路
４８…シール剤
５０ａ…第１の正基準穴
５０ｂ…第２の正基準穴
５２ａ…第１の副基準穴
５２ｂ…第２の副基準穴
１００…アセンブリ
１２０…樹脂フレーム
１３０ａ…第１の正基準外形部
１３０ｂ…第２の正基準外形部
１３２ａ…第１の副基準外形部
１３２ｂ…第２の副基準外形部
１３４ａ…第１の副々基準外形部
１３４ｂ…第２の副々基準外形部
１４０…セパレータ
１５０ａ…第１の正基準外形部
１５０ｂ…第２の正基準外形部
１５２ａ…第１の副基準外形部
１５２ｂ…第２の副基準外形部
１５４ａ…第１の副々基準外形部
１５４ｂ…第２の副々基準外形部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015187953.tif 000005
【図４】
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【図５】
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