(57)【要約】  本発明は、燃料電池セルスタック（２）の製造装置（１）に関し、双極性プレート（２２）を受け入れる第１位置合わせ構造（２４）と、膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）の一方の側に、好ましくは前記双極性プレート（２２）の上に所定の向きに配置して前記双極性プレート（２２）と前記膜電極接合体（２６）を位置合わせすることにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニット（２８）を設ける第２位置合わせ構造（２４）と、を有する第１位置合わせステーション（６）と、前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に固定することにより、組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を設ける固定用ステーション（１４）と、前記組み付け後の燃料電池セルユニット群（４）を位置合わせして燃料電池セルスタック（２）を設ける少なくとも１つの第３位置合わせ構造（３０）を有する第２位置合わせステーション（８）と、を少なくとも備える。同様に、本発明は、燃料電池セルスタック（２）を製造する方法、及び該製造装置及び／または該方法によって製造された燃料電池セルスタック（２）に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルスタック（２）の製造装置（１）であって、
−双極性プレート（２２）を受け入れる第１位置合わせ構造（２４）と、膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）の一方の側に、好ましくは前記双極性プレート（２２）の上に所定の向きに配置して前記双極性プレート（２２）と前記膜電極接合体（２６）を位置合わせすることにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニット（２８）を設ける第２位置合わせ構造（２４）と、を有する第１位置合わせステーション（６）と、
−前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に固定することにより、組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を設ける固定用ステーション（１４）と、
−前記組み付け後の燃料電池セルユニット群（４）を位置合わせして燃料電池セルスタック（２）を設ける少なくとも１つの第３位置合わせ構造（３０）を有する第２位置合わせステーション（８）と、を少なくとも備える、製造装置（１）。
【請求項２】
前記事前に組み付けた燃料電池セルユニット（２８）を前記固定用ステーション（１４）に移送する第１ハンドリング装置（１６）を少なくともさらに備え、好ましくは、前記第１ハンドリング装置（１６）は可動部材、具体的には回転テーブルであり、前記可動部材は、前記双極性プレート（２２）と前記膜電極接合体（２６）を位置合わせする前記第１および第２構造（２４）を含む、請求項１に記載の製造装置（１）。
【請求項３】
前記第１位置合わせステーション（６）および前記固定用ステーション（１４）を燃料電池セルユニット組み付けステーション（３６）において組み合わせ、前記燃料電池セルユニット組み付けステーション（３６）は、前記双極性プレート（２２）と前記膜電極接合体（２６）を位置合わせする位置合わせ用マニピュレータ（２０）と、前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に固定する固定用マニピュレータ（１８）、具体的には溶接マニピュレータと、を含む、請求項１に記載の製造装置（１）。
【請求項４】
前記固定用ステーション（１４）は、超音波溶接マニピュレータ（１８）を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の製造装置（１）。
【請求項５】
前記組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を前記第２位置合わせステーション（８）に移送する第２ハンドリング装置（１２）をさらに備え、好ましくは、前記第２ハンドリング装置（１２）は、前記組み付け後の燃料電池セルユニット（４）に前記膜電極接合体（２６）で接触するように適合させる、請求項１乃至４のいずれかに記載の製造装置（１）。
【請求項６】
前記膜電極接合体（２６）は前記双極性プレート（２２）を覆って少なくとも１つの領域（３４）において延びることにより膜電極接合体の突出周辺部となり、前記第２位置合わせステーション（８）の前記少なくとも１つの第３位置合わせ構造（３０）は、前記膜電極接合体（２６）の前記突出周辺部群を前記少なくとも１つの領域（３４）において位置合わせすることにより、前記燃料電池セルユニット群（４）を位置合わせするように適合させる、請求項１乃至５のいずれかに記載の製造装置（１）。
【請求項７】
燃料電池セルスタック（２）を製造する方法であって、
−膜電極接合体（２６）を双極性プレート（２２）の一方の側に配置する、好ましくは前記双極性プレート（２２）の上に所定の向きに配置することにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニット（４）を設ける、好ましくは双極性プレート（２２）を受け入れる第１構造（２４）と、膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）の一方の側に配置する第２構造（２４）と、を有する第１位置合わせステーション（６）を使用することにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニット（４）を設ける工程と、
−前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に固定することにより、組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を設ける工程と、
−前記組み付け後の燃料電池セルユニット群（４）を、好ましくは少なくとも１つの第３位置合わせ構造（３０）を有する第２位置合わせステーション（８）において位置合わせすることにより燃料電池セルスタック（２）を設ける工程と、を少なくとも含む、方法。
【請求項８】
前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に超音波溶接する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記組み付け後の燃料電池セルユニット（４）に前記膜電極接合体（２６）で接触させることによってのみ、前記組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を前記第２位置合わせステーション（８）において位置合わせする工程をさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記双極性プレート（２２）を覆って少なくとも１つの領域（３４）において延びる膜電極接合体（２６）を設ける工程と、前記膜電極接合体（２６）を前記双極性プレート（２２）に配置して、前記膜電極接合体（２６）の周辺部が前記双極性プレート（２２）を超えて前記少なくとも１つの領域において突出するようにする工程と、前記膜電極接合体（２６）の前記突出周辺部群を前記少なくとも１つの領域（３４）において位置合わせすることにより、前記燃料電池セルユニット群（４）を位置合わせする工程と、をさらに含む、請求項７乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
複数の組み付け後の燃料電池セルユニット（４）を備える燃料電池セルスタック（２）であって、前記複数の組み付け後の燃料電池セルユニット（４）はそれぞれ、双極性プレート（２２）に、好ましくは超音波溶接により固定されている膜電極接合体（２６）を含み、前記燃料電池セルスタック（２）は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置（１）および／または請求項７乃至１０のいずれかに記載の方法により製造されている、燃料電池セルスタック（２）。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの組み付け後の燃料電池セルユニット（４）は、前記双極性プレート（２２）を覆って少なくとも１つの領域（３４）において延びることにより、膜電極接合体の突出周辺部となる膜電極接合体（２６）を含む、請求項１１に記載の燃料電池セルスタック（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルスタックの製造装置、ならびに燃料電池セルスタックを製造する方法、および当該装置および／または方法により製造された燃料電池セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルスタックは普通、２つの単極性プレートを備え、２つの単極性プレートの間に複数の膜電極接合体が配置され、これらの膜電極接合体が今度は、双極性プレートにより分離される。膜電極接合体（ＭＥＡ）自体は、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に在って、水素と酸素とを反応させて電気エネルギーおよび水を発生させる膜と、を備える。反応物（水素および酸素）をそれぞれの電極に供給するために、ＭＥＡの両側に配置される双極性プレートは、反応物流体の流れをそれぞれの電極に導く流体の流れ場を有する。
【０００３】
単一のＭＥＡにおける反応は通常、ほとんどのアプリケーションを動作させるためには不十分な電圧しか生成しないので、複数のＭＥＡを積層させ、電気的に直列に接続して所望の電圧を達成する。電流は燃料電池セルスタックから収集され、負荷を駆動するために使用される。
【０００４】
燃料電池セルスタックの効率は、ＭＥＡの表面を横切る反応物の流れ、ならびに燃料電池セルスタックの個々の燃料電池セル内の様々な接触界面およびシール界面の完全性に依存する。このような接触界面およびシール界面は、スタックの燃料電池セル内および燃料電池セル間の燃料、冷却剤、および排出物の輸送に関連する界面を含む。それ故に、燃料電池セルスタック内の燃料電池セル構成部材および接合体の適正な位置合わせが、燃料電池セルシステムの効率的な動作を確保するために必須となる。
【０００５】
位置合わせと積層を行なう場合には普通、例えば位置合わせ治具が、少なくとも１つの案内部材を有する位置合わせ用枠体として使用され、位置合わせ用枠体により、ＭＥＡおよび双極性プレートの所定の配置を積層プロセス中に確保する。所望の数のＭＥＡおよび双極性プレートを積層した後、結果として得られる燃料電池セルスタックを圧縮する、例えばネジで互いに固定するか、その他には、接合させて燃料電池セルスタックを所望のアプリケーションに使用することができるようにする。
【０００６】
ＭＥＡおよび双極性プレートの適正な位置合わせを確保するために、最先端技術では、ＭＥＡおよび双極性プレートの両方に、凹部のような位置合わせ形状部を設け、位置合わせ形状部に、位置合わせ用枠体の案内部材を挿入する、または嵌合させることが提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
既知の位置合わせの不具合は、ＭＥＡおよび双極性プレートの両方に、それぞれの位置合わせ形状部を設ける必要があり、これには非常に高いコストが掛かり、ＭＥＡおよび双極性プレートの製造における非常に小さな誤差しか許容されないことである。さらに、積層プロセスは非常に長い時間を要し、単一の双極性プレートまたはＭＥＡだけが適正に位置合わせされない場合に、スタック全体を廃棄する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、燃料電池セルスタックを迅速に、確実に、かつコスト効率良く積層することを可能にする、燃料電池セルスタックを製造する製造装置および方法を提供することにある。
【０００９】
この目的は、請求項１に記載の製造装置、請求項７に記載の製造方法、および請求項１１に記載の燃料電池セルスタックにより解決される。
【００１０】
以下では、燃料電池セルスタックの製造装置が提案され、製造装置は、双極性プレートを受け入れる第１位置合わせ構造と、膜電極接合体（ＭＥＡ）を双極性プレートの一方の側に、好ましくは双極性プレートの上に所定の向きに配置する第２位置合わせ構造と、を有する第１位置合わせステーションを少なくとも備える。これにより、双極性プレートおよび膜電極接合体が位置合わせされ、所謂事前に組み付けた燃料電池セルユニットが設けられる。
【００１１】
それに関して、「ｆｉｒｓｔ（第１）」および「ｓｅｃｏｎｄ（第２）」位置合わせ構造の表示は、燃料電池セル構成部材をハンドリングする順序に必ずしも関連している訳ではないことに留意されたい。したがって、ＭＥＡを最初に、第２位置合わせ構造に載置し、後続の工程においてのみ、双極性プレートをＭＥＡの上に載置することも可能である。
【００１２】
装置は、膜電極接合体を双極性プレートに固定することにより、組み付け後の燃料電池セルユニットを設ける固定用ステーションをさらに備える。これにより確実に、事前に組み付けた単位燃料電池セルの構成部材の空間的な向きが保たれる。固定用ステーションでは、双極性プレートおよびＭＥＡの空間的な向きを確保するだけで済むことに留意されたい。ＭＥＡおよび双極性プレートの液密性は普通、完全に積層した燃料電池セルスタックを圧縮することにより達成される。
【００１３】
装置は、組み付け後の燃料電池セルユニット群を位置合わせして燃料電池セルスタックを設ける少なくとも１つの第３位置合わせ構造を有する第２位置合わせステーションをさらに備える。
【００１４】
有利なことに、少なくとも２つの別体の位置合わせステーションを有する製造装置を提供することにより、積層プロセスを加速して自動化することができる。これは、燃料電池セルスタックをこのようにして積層する（第２位置合わせ）場合に、既に位置合わせして固定した双極性プレートおよびＭＥＡを備える、既に組み付けた燃料電池セルユニット群を使用することができるからである。さらに、ＭＥＡが双極性プレートの一方の側にのみ配置されるので、積層手順が容易になる。
【００１５】
具体的には、燃料電池セルユニット群を燃料電池セルスタックに第２製造ステーションにおいて積層する場合、燃料電池セルユニットを双極性プレートで掴むことができる、例えば真空把持機構により掴むことができ、次に逆さまに載置することができる、すなわち双極性プレートをＭＥＡの上に保持して第３位置合わせ構造に挿入することができる。この間、ＭＥＡは、固定用ステーションに設けられる固定具によりＭＥＡの事前組み付け時の空間的な向きに保持されて、第３位置合わせ構造において、燃料電池セルユニット群の位置合わせをＭＥＡの空間的な向きにのみ基づかせることができるようにする。
【００１６】
燃料電池セルユニット群を積層する場合、双極性プレートをＭＥＡの上に保持することが重要である。これにより、ＭＥＡが双極性プレートから引き剥がされるリスクを低下させることができ、ＭＥＡが積層時に屈曲するリスクを低下させることもできる。ＭＥＡの屈曲は必ずリスクを伴う、特にＭＥＡは剛性双極性プレートよりも可撓性が極めて大きいので組み付け前の構成部材を積層する場合にリスクを伴う。積層手順中にＭＥＡが屈曲することにより今度は、燃料電池セルスタックの良好な位置合わせ状態が崩れ、性能が劣化する。
【００１７】
さらなる利点は、ＭＥＡが双極性プレートの一方の側にのみ載置される場合でも、双極性プレートの剛性により、ＭＥＡ単独を燃料電池セルユニット群の位置合わせの基準体として使用することができる程度にＭＥＡの剛性を高めることができることである。双極性プレート自体は、燃料電池セルスタックの位置合わせに関して完全に無視することができる。最先端技術では、燃料電池セルは普通、２つの流れ場プレートで挟まれた状態のＭＥＡを含む。これにより必ず、位置合わせが積層手順中に行なわれる場合に流れ場プレート群が不所望であるが必然的に接触するようになる。
【００１８】
提案する製造装置は、さらに柔軟性の高い材料をＭＥＡに関して使用することができる、および／またはＭＥＡをより薄くして、より高い電気的歩留まりを実現する材料の使用が可能となる、および／またはより多くの燃料電池セルユニットを積層して、既知の燃料電池セルスタックと同じ寸法を有するスタックとすることができる。これは、ＭＥＡを双極性プレートにより安定化し、双極性プレートを今度は、ＭＥＡに固定して適正な位置合わせ状態を保持することができるからである。
【００１９】
さらなる好適な実施形態によれば、製造装置は、事前に組み付けた燃料電池セルユニットを固定用ステーションに移送する第１ハンドリング装置を少なくともさらに備え、好ましくは、第１ハンドリング装置は可動部材であり、具体的には、双極性プレートと膜電極接合体を位置合わせする第１および第２構造を含む回転テーブルである。あるいは、可動部材は、双極性プレートおよび／またはＭＥＡを強固に保持する可動位置合わせ構造、例えば固定具とすることができる。
【００２０】
ハンドリング装置を使用することにより、第１位置合わせステーションおよび固定用ステーションは、必ずしも同じ場所に配置される必要がない。これにより、双極性プレートおよびＭＥＡが未だに固定されず、組み付け後の燃料電池セルユニットを設けることができない場合でも位置合わせステーションは既に自由に動作する状態になっているので、積層手順を加速することが可能となる。
【００２１】
したがって、事前に組み付けた燃料電池セルユニットは、ハンドリングされずに当該燃料電池セルユニットの所定の空間的な向きが分からなくなる可能性が高い場合が好ましい。これは、例えば事前に組み付けた燃料電池セルユニットを固定用ステーションにまでＭＥＡおよび双極性プレートの空間的な向きの維持を脅かすことなく移動させる／回転させる可動部材または回転テーブルにより確保することができる。
【００２２】
事前に組み付けた燃料電池セルユニットを位置合わせステーションから固定用ステーションにまで移動させることに代えて、第１位置合わせステーションおよび固定用ステーションを組み合わせて燃料電池セルユニット組み付けステーションとすることも可能であり、燃料電池セルユニット組み付けステーションでは、双極性プレートおよびＭＥＡを最初に位置合わせし、次に固定する。そのような場合、複合燃料電池セル組み付けステーションは、双極性プレートとＭＥＡを位置合わせする位置合わせ用マニピュレータと、膜電極接合体を双極性プレートに固定する固定用マニピュレータ、具体的には溶接マニピュレータと、を含むことができる。溶接マニピュレータの代わりに、任意の他の固定操作を使用することができる、例えば双極性プレートは、ＭＥＡに接着する、熱可塑性樹脂で熱圧着する、または半田付けすることもできる。
【００２３】
複合組み付けステーションは、双極性プレートとＭＥＡとの間の所定の向きを保持する確実性をずっと高めることができる。
【００２４】
さらなる実施形態によれば、固定用ステーションおよび／または複合組み付けステーションは、超音波溶接マニピュレータを含む。超音波溶接マニピュレータを使用することに代えて、任意の他の固定用マニピュレータ／固定操作を使用することができる、例えば双極性プレートは、ＭＥＡに接着する、熱可塑性樹脂で熱圧着する、または半田付けすることもできる。
【００２５】
製造装置が、組み付け後の燃料電池セルユニットを第２位置合わせステーションに移送する第２ハンドリング装置を備える場合がさらに好ましく、好ましくは、第２ハンドリング装置は、組み付け後の燃料電池セルユニットに膜電極接合体でのみ接触するように適合させる。
【００２６】
第２ハンドリング装置、固定用ステーション、または複合組み付けステーションをそれぞれ提供することにより、第２位置合わせステーションは、必ずしも同じ場所に配置される必要がない。これにより、第１位置合わせステーション／固定用ステーション、または複合組み付けステーションは、燃料電池セル積層が未だ完全には完了していない場合でも、既に自由に動作する状態になっているので、積層手順を加速することが可能となる。さらに、別体の位置合わせステーションは、それぞれの位置合わせ要求に正確に適合させることができる。したがって、第１および第２位置合わせ構造は、双極性プレートとＭＥＡを位置合わせするように最適化することができ、第３位置合わせ構造は、双極性プレートに接触することが望ましくないので、組み付け後の燃料電池セルユニット群、具体的には組み付け後の燃料電池セルユニット群のＭＥＡを位置合わせするように最適化することができる。
【００２７】
別の好適な実施形態によれば、膜電極接合体は、双極性プレートを覆って少なくとも１つの領域において延びることができる。これにより、双極性プレート群が、互いから電気的に分離され、これにより今度は、燃料電池セルスタックにおける短絡を必ず回避することが可能となる。ＭＥＡが双極性プレートに重なる場合、双極性プレートとＭＥＡの正しい位置合わせが非常に難しい課題となっている。最先端技術では、凹部のような特殊な位置合わせ形状部を双極性プレートに設け、開口部をＭＥＡに設けており、これにより、双極性プレートとＭＥＡの正しい位置合わせを可能にする必要がある。しかしながら、これらの位置合わせ形状部の配設および使用は、長時間を要し、コストが嵩む。さらに、ＭＥＡと双極性プレートの正しい位置合わせを行なう場合、少なくとも位置合わせ形状部の領域において、ＭＥＡおよび双極性プレートが互いに同一平面上にあってＭＥＡおよび双極性プレートの両方を確実に位置合わせすることができる必要があり、これにより今度は、短絡のリスクが高まる。
【００２８】
製造装置の２つの位置合わせステーションを使用することにより、ＭＥＡを双極性プレートにいずれの場所においても重ねることができるようにすることも可能である。双極性プレートとＭＥＡの位置合わせは、ＭＥＡおよび双極性プレートを所定の空間的な向きに固定することにより確保されるので、第２位置合わせ工程／ステーションにおける双極性プレートの配置を完全に無視して、燃料電池セルユニット群だけをＭＥＡに対して位置合わせすることが可能である。この場合、好ましくは、膜電極接合体の突出周辺部が位置合わせに使用され、第２位置合わせステーションの少なくとも１つの第３位置合わせ構造は、膜電極接合体の突出周辺部を当該少なくとも１つの領域において位置合わせすることにより燃料電池セルユニット群を位置合わせするように適合させる。
【００２９】
本発明の別の態様は、燃料電池セルスタックを製造する方法に関するものであり、当該方法は、
−膜電極接合体を双極性プレートの一方の側に配置する、好ましくは双極性プレートの上に所定の空間的な向きに配置することにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニットを設ける、好ましくは双極性プレートを受け入れる第１構造と、膜電極接合体を双極性プレートの一方の側に配置する第２構造と、を有する第１位置合わせステーションを使用することにより、事前に組み付けた燃料電池セルユニットを設ける工程と、
−膜電極接合体を双極性プレートに固定することにより、組み付け後の燃料電池セルユニットを設ける工程と、
−組み付け後の燃料電池セルユニット群を、好ましくは少なくとも１つの第３位置合わせ構造を有する第２位置合わせステーションにおいて位置合わせすることにより燃料電池セルスタックを設ける工程と、を少なくとも含む。
【００３０】
装置に関連して上に説明した特徴および利点は、提示した方法にも適用される。
【００３１】
それ故に、方法は、膜電極接合体を双極性プレートに超音波溶接する工程をさらに含むことができる。
【００３２】
さらなる好適な実施形態によれば、方法は、組み付け後の燃料電池セルユニットの膜電極接合体に接触させることによってのみ、組み付け後の燃料電池セルユニット群を第２位置合わせステーションにおいて位置合わせする工程を含む。
【００３３】
有利なことに、方法は、双極性プレートを覆って少なくとも１つの領域において延びる膜電極接合体を設ける工程と、膜電極接合体を双極性プレートに配置して、膜電極接合体の周辺部が双極性プレートを当該少なくとも１つの領域において超えて突出するようにする工程と、膜電極接合体の突出周辺部群を当該少なくとも１つの領域において位置合わせすることにより、燃料電池セルユニット群を位置合わせする工程と、をさらに含む。
【００３４】
別の態様によれば、本発明は、複数の燃料電池セルユニットを備える燃料電池セルスタックに関するものであり、複数の燃料電池セルユニットはそれぞれ、双極性プレートに、好ましくは超音波溶接により固定されている膜電極接合体を含み、燃料電池セルスタックは、上に説明した装置により、および／または上に説明した方法により製造されている。
【００３５】
さらなる実施形態によれば、燃料電池セルスタックは、ＭＥＡが双極性プレートを覆って少なくとも１つの領域において延びる少なくとも１つの燃料電池セルユニットをさらに備える。
【００３６】
さらなる利点および好適な実施形態は、特許請求の範囲、説明、および図に開示される。当業者であれば、提示した特徴を個々に評価または使用することができる、または提示した特徴を示唆した態様以外の態様で、本発明の範囲を広げることなく組み合わせることができることにさらに留意されたい。
【００３７】
以下では、本発明について、図に示す実施形態を用いて説明する。図示の実施形態は例示に過ぎず、保護範囲を限定することを意図しない。保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池セルスタックの製造装置の第１の実施形態の概略斜視図である。
【図２】組み付け後の燃料電池セルユニットの細部の概略図である。
【図３】製造装置の第２の実施形態の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下では、同じ機能部材または同様の機能部材が同じ参照番号で示される。
【００４０】
図１は、複数の組み付け燃料電池セルユニット４を積層することにより、燃料電池セルスタック２を製造する製造装置１の斜視図を示している。図示のように、製造装置は、第１位置合わせステーション６および第２位置合わせステーション８を備える。図示の実施形態では、２つのマニピュレータ装置１０および１２を設け、これらのマニピュレータ装置は、燃料電池セル部材をハンドリングするように適合させる。製造装置１は、固定用ステーション１４と、燃料電池セル部材を位置合わせステーション６から固定用ステーション１４に移送するハンドリング装置１６と、をさらに備える。図１に示す実施形態のハンドリング装置１６は、回転可能なテーブルである。
【００４１】
図１にさらに示すように、固定用ステーション１４は、膜電極接合体２６を双極性プレート２２に固定または溶接するように適合させた溶接マニピュレータ１８を備える。さらに、製造装置１は、膜電極接合体２６を双極性プレート２２に位置合わせする位置合わせ用マニピュレータ２０を備える。
【００４２】
以下では、製造装置１の動作について説明する。第１工程では、ハンドリングマニピュレータ１０は、双極性プレート２２を、回転テーブル１６に配置される第１位置合わせ構造２４に、例えば固定具に移送する。次に、テーブル１６を回転させて、位置合わせ構造２４に配置される双極性プレート２２を第１位置合わせステーション６に搬送し、第１位置合わせステーション６では、位置合わせ用マニピュレータ２０が膜電極接合体（ＭＥＡ）２６を双極性プレート２２の一方の側に載置する、すなわち図１に示す実施形態では、双極性プレート２２の上に載置する。しかしながら、ＭＥＡを双極性プレートの下に載置することも可能である、および／または第１位置合わせ構造を第２位置合わせ構造に続いて配置することも可能である。
【００４３】
ＭＥＡ２６を双極性プレート２２の一方の側に位置合わせすることは、ＭＥＡまたは双極性プレートのいずれが最初にハンドリングされるかどうかに関係なく、任意の適切な位置合わせ方法により行なうことができる。例えば、位置合わせ用マニピュレータ２６は、第２位置合わせ構造として機能し、双極性プレート２２の位置を判断するカメラを備え、判断した位置に基づいて、マニピュレータは、双極性プレート上のＭＥＡ２６の向きを設定する／ＭＥＡ２６を双極性プレートの上に載置することが可能である。 あるいは、またはさらに、機械的な第２位置合わせ構造を設け、第２位置合わせ構造は、ＭＥＡ２６が双極性プレート２２の上に載置されるときに、双極性プレート２２に対するＭＥＡ２６の所定の空間的な向きを与えることも可能である。勿論、任意の他の位置合わせ手順も可能である。
【００４４】
ＭＥＡ２６を双極性プレート２２の上に載置した後、所謂事前に組み付けた燃料電池セルユニット２８が設けられ、燃料電池セルユニット２８は、回転テーブル１６により固定用ステーション１４に移送される。固定用ステーション１４では、ＭＥＡ２６を双極性プレート２２に固定する。この固定は超音波溶接により行なうことができるが、接着、熱可塑性樹脂の熱圧着、半田付けなどのような任意の他の適切な固定方法を使用することができる。しかしながら、超音波溶接は高速かつ安価な固定方法を提供し、この方法の場合、追加材料または特殊材料を必要としない。
【００４５】
固定用ステーション１４の後に、双極性プレート２２に対するＭＥＡ２６の空間的な向きが固定され、この時点で組み付けた燃料電池セルユニット４を、第１位置合わせステーションから取り出してさらに処理することができるようにする。
【００４６】
図示の実施形態では、組み付け後の燃料電池セルユニット４は、回転テーブル１６から第２ハンドリングマニピュレータ１２により取り出され、第２位置合わせステーション８（積層工程）に移送される。第２位置合わせステーション８を第１位置合わせステーション６にごく近接して配置する必要がないことに留意されたい。ＭＥＡ２６および双極性プレート２２の空間的な向きが固定工程により固定されるので、組み付け後の燃料電池セルユニット４は、遠く離れた場所に搬送して積層プロセスを行なうことができる。組み付け後の燃料電池セルユニット４を在庫して、積層プロセスを後で行なうことも可能である。
【００４７】
しかしながら、図１に示す実施形態では、第２位置合わせステーション８を第１位置合わせステーションにごく近接して配置して、組み付け後の燃料電池セルユニット４を第３位置合わせ構造３０に直ぐに移送することができるようにし、第３位置合わせ構造３０は、燃料電池セルユニット群４を位置合わせして燃料電池セルスタック２となるように適合させる。したがって、第３位置合わせ構造３０は、燃料電池セルユニット群４の周辺部のみを位置合わせして、燃料電池セルユニット群４を迅速であるが正確に並べることが可能となるように適合させることができる。これは、双極性プレート２２およびＭＥＡ２６の空間的な向きが、ＭＥＡ２６を双極性プレート２２に固定することにより固定されるからである。
【００４８】
結果として、これにより、ＭＥＡ２６が双極性プレート２２に少なくとも１つの領域３４（図２参照）において重なる燃料電池セルユニット設計が可能となり、この領域３４を使用して、燃料電池セルユニット群４を位置合わせする。これによりさらに、第３位置合わせ構造が双極性プレートに接触することを必ず回避することができることを確保することができる。さらに、ＭＥＡ２６が双極性プレート２２に、いずれの箇所でも重なる燃料電池セルユニット設計を実現することが可能となる。この実施形態では、第３位置合わせ構造３０は、燃料電池セルユニット群４をＭＥＡ２６の周辺部のみに基づいて位置合わせするように適合させる。これにより、隣接する双極性プレート２２が接触することに起因する短絡のリスクを、ＭＥＡ２６の膜が隣接する双極性プレート２２を確実に絶縁するので回避することができる燃料電池セルスタック２を実現することができる。
【００４９】
図２は、詳細図で、双極性プレート２２およびＭＥＡ２６を有する組み付け後の燃料電池セルユニット４を示しており、双極プレート２２およびＭＥＡ２６は、超音波溶接シーム３２により互いに固定される。ＭＥＡ２６が双極性プレート２２に、少なくとも領域３４において重なってＭＥＡ２６のみが第３位置合わせ構造３０に接触するようになることをさらに確認することができる。
【００５０】
双極性プレート２２が、いずれの装置によっても燃料電池セルスタックの燃料電池セルユニット群の位置合わせの間に触れられないままであることにより、燃料電池セルユニット群の迅速であるが正確な位置合わせが可能となるのでさらに有利となる。
【００５１】
図３は、製造装置１のさらなる実施形態を示している。図から分かるように、代替実施形態では、位置合わせ、および固定は、複合組み付けステーション３６で行なわれ、複合組み付けステーション３６では、２つのマニピュレータアーム３８および４０が、双極性プレート２２およびＭＥＡ２６をハンドリングし、位置合わせし、および固定して、組み付け後の燃料電池セルユニット４を実現する。図１の製造配置とは異なり、回転テーブルが無いので、テーブルの回転運動により双極性プレート２２およびＭＥＡ２６の位置合わせずれが生じるリスクが低減される。
【００５２】
固定後、組み付け後の燃料電池セルユニット４は、位置合わせ構造３０を含む第２位置合わせステーション８であって、燃料電池セルユニット４を燃料電池セルスタック２に積層する第２位置合わせステーション８に移送される。
【００５３】
個々の燃料電池セル部材の位置合わせと、燃料電池セルユニット群の積層を少なくとも２つの異なる工程またはステーションに分離することにより、位置合わせ、および積層プロセスを加速して自動化することができる。さらに、ＭＥＡを双極性プレートに固定用ステーションで固定工程においてそれぞれ固定することにより、燃料電池セル部材の空間的な向きを保つことができる。これにより今度は、ＭＥＡが双極性プレートに重なる燃料電池セルユニット設計が可能となり、積層（第２位置合わせ）がＭＥＡの向きにのみ基づいて行なうことができるので、迅速かつ正確な積層プロセスが同時に可能となる。したがって、双極性プレート自体の空間的な向きは、ＭＥＡの向きにより既に規定されているので、無視することができる。ＭＥＡを双極性プレートの一方の側に載置し、追加工程でＭＥＡのみをハンドリングすることにより、双極性プレートに追加組み付けプロセスにおいて接触させなくて済み、これにより、迅速かつ正確な積層手順を確保することができるのでさらに有利となる。
【符号の説明】
【００５４】
１  製造装置
２  燃料電池セルスタック
４  燃料電池セルユニット
６  第１位置合わせステーション
８  第２位置合わせステーション
１０，１２  ハンドリング装置
１４  固定用ステーション
１６  回転テーブル
１８  固定用マニピュレータ
２０  位置合わせ用マニピュレータ
２２  双極性プレート
２４  第１位置合わせ構造
２６  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２８  事前に組み付けた燃料電池セルユニット
３０  第３位置合わせ構造
３２  溶接シーム
３４  ＭＥＡが双極性プレートを覆って延びている領域
３６  複合組み付けステーション
３８，４０  マニピュレータアーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2021524144.tif 000007
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