(57)【要約】【課題】設備コストおよび製造コストを削減でき、出力密度を低下させない燃料電池スタックの製造方法および燃料電池スタックの製造装置を提供する。【解決手段】複数の燃料電池構成部材２を積層して積層体４を構成し、当該積層体４を積層方向から締結する燃料電池スタックの製造方法であって、積層方向と垂直な方向へ傾斜する前記積層体４に対して、当該傾斜する方向と逆方向である補正方向へ力を付与して予め決定された補正量Ｈで傾斜させた後に、前記補正方向へ傾斜させた積層体４を、積層方向から加圧して保持する。【選択図】図１１
2008234920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池構成部材を積層して積層体を構成し、当該積層体を積層方向から締結する燃料電池スタックの製造方法であって、
積層方向と垂直な方向へ傾斜する前記積層体に対して、当該傾斜する方向と逆方向である補正方向へ力を付与して予め決定された補正量で傾斜させた後に、前記補正方向へ傾斜させた積層体を、積層方向から加圧して保持することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項２】
前記補正量は、予め複数の燃料電池構成部材を積層して積層体を構成し、当該積層体を積層方向から加圧した際に計測される積層体の傾斜方向への傾斜量に対応して決定され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。
【請求項３】
前記補正量を、前記傾斜量に対して比例的に決定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項４】
複数の燃料電池構成部材が積層されて積層体が構成され、当該積層体が積層方向から締結された燃料電池スタックの製造装置であって、
前記燃料電池構成部材が積層される載置台と、
前記積層体の積層方向側面に当接可能に延在し、一端が前記載置台に対して積層方向と垂直な方向へ回転可能に連結される位置決め治具と、
前記積層体の載置台と反対側に設けられ、積層方向と垂直な方向へ移動可能であるとともに、前記位置決め治具の他端が連結されるスライド機構と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造装置。
【請求項５】
前記位置決め治具は、前記積層体と当接する部位が、平滑に加工されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタックの製造装置。
【請求項６】
前記位置決め治具は、前記スライド機構に対して着脱可能に連結されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池スタックの製造装置。
【請求項７】
前記積層体の積層方向と垂直な方向への傾斜量を計測する傾斜量計測器と、
前記傾斜量計測器により計測された傾斜量から算出される補正量に基づいて前記スライド機構を制御する制御部と、
を更に有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの製造装置。
【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および燃料電池スタックの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的に、電解質膜の両面に電極を設けた膜電極接合体とセパレータを複数積層してエンドプレートで挟んだ積層体を、外部から締結して固定した燃料電池スタックとして形成される。燃料電池スタックを組み立てる際には、各構成部品の厚さバラツキ等の積上げにより積層方向に対して傾きが発生し、スタック全体の傾斜が発生する場合がある。この状態のまま複数のスタックのガス経路及び冷却水経路の接合部を締結した場合、締結面の傾斜によるシール不良、スタック間の必要クリアランスの増大、または両端部を強制的に締結することによる各セルの面圧のバラツキ等が生じる虞がある。このような不具合を回避するための技術として、積層体に重なるプレート型の傾き調整機構を持つ部品を配置する手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、この方法では、スタックの構成部品が増加するとともに設備構成・工程が複雑になってコスト高となり、また非発電部分が増加するために出力密度が悪化するという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−１６６３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、設備コストおよび製造コストを削減でき、出力密度を低下させない燃料電池スタックの製造方法および燃料電池スタックの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、複数の燃料電池構成部材を積層して積層体を構成し、当該積層体を積層方向から締結し燃料電池スタックの製造方法であって、積層方向と垂直な方向へ傾斜する前記積層体に対して、当該傾斜する方向と逆方向である補正方向へ力を付与して予め決定された補正量で傾斜させた後に、前記補正方向へ傾斜させた積層体を、積層方向から加圧して保持することを特徴とする。
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックの製造装置は、複数の燃料電池構成部材が積層されて積層体が構成され、当該積層体が積層方向から締結された燃料電池スタックの製造装置であって、前記燃料電池構成部材が積層される載置台と、前記積層体の積層方向側面に当接可能に延在し、一端が前記載置台に対して積層方向と垂直な方向へ回転可能に連結される位置決め治具と、前記積層体の載置台と反対側に設けられ、積層方向と垂直な方向へ移動可能であるとともに、前記位置決め治具の他端が連結されるスライド機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、積層体を、傾斜する方向と逆方向へ力を付与して傾斜させるため、この後に積層体を積層方向から加圧して保持した際に、傾斜量が低減される。このように製造された燃料電池スタックは、発電に寄与しない構成部材が新たに付加されることがないため、新たな部材のための設備構成・工程が必要なく設備コストおよび製造コストを削減でき、また出力密度が低下しない。
【０００８】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックの製造装置は、一端が載置台に対して回転可能に連結される位置決め治具の他端がスライド機構に連結されているため、スライド機構を駆動することにより位置決め治具が傾斜し、載置台に積層された積層体を傾斜させることができる。したがって、発電に寄与しない構成部材を新たに付加することなく燃料電池スタックの傾斜を補正できるため、新たな部材のための設備構成・工程が必要なく設備コストおよび製造コストを削減でき、また出力密度が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、同製造装置により燃料電池スタックを保持した際を示す平面図、図２は、本実施形態に係る燃料電池スタックの製造装置を示す平面図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は、同製造装置の位置決め治具を示す斜視図、図６は、同製造装置の位置決め治具の他の例を示す斜視図である。
【００１１】
本実施形態に係る燃料電池スタックの製造装置１は、電解質膜の両面に電極を設けた膜電極接合体とセパレータ２Ａを複数積層してその両面をエンドプレート２Ｂで保持した積層体４を作成し、この積層体４の積層方向に対する傾きを補正することが可能な装置である。
【００１２】
製造装置１は、図１〜４に示すように、膜電極接合体、セパレータ２Ａおよびエンドプレート２Ｂからなる燃料電池構成部材２が積層される載置台６と、載置台６に対して回転可能に連結される長尺な位置決め治具７と、積層体４の載置台６と反対側に設けられ、積層方向と垂直な一方向へ移動可能であるとともに、位置決め治具７の先端側（載置台６と反対側）が連結されるスライド機構８と、スライド機構８を制御する制御部９と、積層体４を加圧するための加圧手段１０とを有している。
【００１３】
燃料電池構成部材２は、積層方向から見て矩形形状を有している。
【００１４】
載置台６は、矩形形状の燃料電池構成部材２を載置することができ、載置された燃料電池構成部材２の対向する２辺の外側に対応して、位置決め治具７の一端を回転可能に支持する回転支持部１２が設けられる。回転支持部１２は、位置決め治具７が載置台６にピン接続されて回転可能となっているが、例えば載置台６に位置決め治具７を固定的に連結し、位置決め治具７の弾性変形により回転可能としてもよい。回転支持部１２は、それぞれの辺に２つずつ設けられる。
【００１５】
位置決め治具７は、一方向へ延在する梁形状の部材であり、一端が載置台６に対して積層方向と垂直な一方向へ回転可能に連結される。位置決め治具７は、延在方向に沿う一側面である当接面１３が積層体４の積層方向側面に当接可能となっている。この当接面１３は平滑に加工されており、表面硬度が、接触するセパレータ２Ａ（燃料電池構成部材２）の硬度と等しいか、または近似する硬度を有していることが好ましい。したがって、例えばセパレータ２Ａがステンレス製である場合には、位置決め治具７はステンレス製であることが好ましく、当接面１３は表面研磨、テフロンコーティング、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング、イオン窒化処理、またはこれらの組み合わせ等により円滑に処理されて、摩擦抵抗が低く形成される。また、セパレータ２Ａが樹脂製である場合には、位置決め治具７は、強度を保つための例えばステンレス製の梁の当接面１３に樹脂材を配し、当接面１３が表面研磨、テフロンコーティング、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング、イオン窒化処理、またはこれらの組み合わせ等により円滑に形成される。なお、セパレータ２Ａの材料はステンレスに限らず、他の金属や材料を使用してもよい。
【００１６】
位置決め治具７の延在方向に対する断面は、図５に示すように、当接面１３を一辺とする矩形形状であるが、図６のように当接面１３が湾曲した形状であってもよい。
【００１７】
位置決め治具７のスライド機構８側の先端部（他端）には、貫通孔１５が設けられる。
【００１８】
スライド機構８は、積層方向と垂直な一方向（位置決め治具７の傾斜方向）へスライドするスライド部１６が設けられ、このスライド部１６に、回転支持部１２と対向して、位置決め治具７の先端が連結される連結部１７が設けられている。連結部１７には、連結ピン１８が着脱可能な連結孔１９が設けられており、連結ピン１８を位置決め治具７の貫通孔１５に挿通しつつ連結孔１９に挿入することにより、位置決め治具７を連結部１７に対して回転可能に連結できる。
【００１９】
スライド部１６には、その中央部に積層方向に貫通する孔部２０が形成される。スライド部１６は、本実施形態ではスライド部１６の積層方向に対する側方に設けられるボールねじ２１によりスライド可能となっているが、ピニオンギア等を用いてもよい。スライド部１６のボールねじ２１と反対側の側方には、スライド部１６に摺動可能に貫通してスライド部１６の姿勢を保持するガイド棒２２が設けられる。
【００２０】
ボールねじ２１やピニオンギア等のストローク伝達構造は、駆動源としてのサーボモータ２３や手動ハンドル等の回転構造に連結されて駆動される。また、スライド部１６に油圧シリンダ等の伸縮構造を連結してスライドさせることも可能である。
【００２１】
駆動源であるサーボモータ２３には、サーボモータ２３を制御する制御部９が接続される。
【００２２】
加圧手段１０は、スライド部１６の孔部２０を通って、積層体４の積層方向上面に積層方向から近接することが可能な押圧部２５を有しており、例えば油圧シリンダやサーボモータを用いて駆動される。
【００２３】
積層体４の積層方向上端部の傾斜方向には、積層体４の傾斜方向への変位を計測する変位計２６（傾斜量計測器）が設けられる。この変位計２６により計測される、積層体４の上端部の変位量が、傾斜量Ｘである。変位計２６は、制御部９に接続されており、したがって、計測された傾斜量Ｘに応じてスライド機構８を駆動することができる。
【００２４】
次に、燃料電池スタックの製造方法につて説明する。
【００２５】
図７は、燃料電池スタックの製造方法のフローを示す図、図８は、補正量決定工程において製造装置に積層体を設置した際を示す平面図、図９は、補正量決定工程において積層体に荷重を付与した際を示す平面図、図１０は、補正量決定工程において積層体の傾斜量を計測する際を示す平面図である。
【００２６】
まず、補正量Ｈを決定する（補正量決定工程）。補正量Ｈは、積層体４を、傾斜方向と反対側である補正方向へ強制的に傾ける際の値である。
【００２７】
補正量決定工程では、まず、図８に示すように、位置決め治具７の先端をスライド部１６に連結し、位置決め治具７の延在方向が載置台６の面に垂直となるようにスライド部１６を保持した状態で、載置台６にセパレータ２Ａ、エンドプレート２Ｂおよび膜電極接合体である燃料電池構成部材２を積層し、積層体４を形成する（Ｓ１）。
【００２８】
次に、図９に示すように、加圧手段１０を駆動して積層体４を押圧部２５により積層方向から押圧し、完成品の締結状態を再現するように、図示しないタイベルトやタイボルト等の荷重保持部材により積層体４を積層方向両側から保持する（Ｓ２）。この際の保持荷重は、燃料電池スタック完成時の必要荷重より低くてもよい。なお、載置台６やスライド部１６等に、荷重保持部材を収容するための孔や空間が設けられてもよい。
【００２９】
次に、図１０に示すように、押圧部２５を積層体４から離して、加圧手段１０の荷重を抜き、位置決め治具７をスライド部１６から開放する。この後、変位計２６により積層体４の傾斜量Ｘおよび傾斜方向（図の右方向。なお、図の左方向の場合もある。）を計測する（Ｓ３）。この積層体４の傾斜は、積層体４を構成する燃料電池構成部材２の寸法誤差等により生じるものである。計測された信号は、制御部９に入力され、制御部９により補正量Ｈが算出される（Ｓ４）。補正量Ｈは、積層体４を、傾斜方向と反対側である補正方向（図の左方向。なお、図の右方向の場合もある。）へ強制的に傾ける際の値である。補正量Ｈは、例えば傾斜量Ｘに係数Ａを乗じた値であり、係数Ａの値は、実験、解析または経験等により決定される。すなわち、最終的に完成する燃料電池スタック３０の傾斜が最小となるように、予め傾斜量Ｘに対する最適な補正量Ｈを、実験、解析または経験等により決定する。
【００３０】
ここで、例えば傾斜量Ｘが１ｍｍ、係数Ａが２．５である場合、補正量Ｈは２．５ｍｍとなる。なお、補正量は必ずしも傾斜量と比例関係になくてもよく、また、制御部９において算出しなくてもよい。
【００３１】
なお、製法上、燃料電池構成部材２（例えば、セパレータ２Ａ）の寸法個体差が小さい場合には、積層体４の個体が替わっても補正量Ｈは同等であると考えられ、一つ目の積層体４により算出した補正量Ｈを、それ以降に作業される他の積層体４に利用することができる。これにより、作業工程（補正量決定工程）が省略され、コストの低減が可能となる。ただし、傾斜量の個体差が大きい場合には、作業する積層体毎に補正量Ｈの算出を行う。
【００３２】
補正量Ｈが決定された後には、積層体４の傾斜の補正しつつ、燃料電池スタックを形成する（積層工程）。
【００３３】
図１１は、積層工程において積層体を位置決め治具により補正方向へ傾斜させた際を示す平面図、図１２は、積層工程において傾斜させた積層体に荷重を付与した際を示す平面図、図１３は、補正量決定工程において積層体を位置決め治具から開放した際を示す平面図である。
【００３４】
積層工程では、まず、位置決め治具７の先端をスライド部１６に連結し、位置決め治具７が載置台６の面に垂直となるようにスライド部１６を保持した状態で、載置台６に燃料電池構成部材２を積層し、積層体４を形成する。なお、積層体４が、補正量決定工程により補正量Ｈを実際に計測した個体である場合には、積層体４を、タイベルトやタイボルト等の荷重保持部材から開放する必要がある。
【００３５】
次に、図１１に示すように、制御部９によりサーボモータ２３を制御して、スライド部１６を移動させる（Ｓ５）。スライド部１６は、積層体４の傾斜方向と反対方向（補正方向）へ、補正量Ｈの長さ分移動する。または、補正量Ｈは、傾斜量計測位置（変位計取り付け位置）における補正値と定義されてもよく、この場合には、傾斜量計測位置において積層体４が補正量Ｈ傾斜するように、スライド部１６を移動させる。これにより、位置決め治具７が傾斜し、当接面１３が積層体４の側面を押すことになり、積層体４が初期の傾斜方向と反対側へ傾斜する。このとき、積層体４は積層方向から加圧されていないため、積層体４を小さな力で容易に傾けることができる。なお、積層体４を傾斜させる際に積層体４を保持するために、加圧手段１０により低荷重を付与してもよい。また、当接面１３がセパレータ２Ａと同等の硬度を有し、当接面１３が円滑に処理されており、また小さな力で傾けることができるため、セパレータ２Ａおよび当接面１３のいずれも磨耗が少なく、装置の延命が図れるとともに、燃料電池スタックの損傷を抑制できる。また、セパレータ２Ａが当接面１３に沿って円滑に滑るため、燃料電池スタックの積層部位ごとの荷重のばらつきも抑制できる。
【００３６】
この後、図１２に示すように、積層体４を加圧手段１０の押圧部２５により積層方向から押圧する。次に、位置決め治具７の先端をスライド部１６から開放して、位置決め治具７を開く。この後、図示しないタイベルトやタイボルト等の荷重保持部材により積層体４を積層方向両側から保持し（Ｓ６）、図１３に示すように、積層体４を加圧手段１０から開放して（Ｓ７）、燃料電池スタック３０が完成する。
【００３７】
図１４は、燃料電池スタックの傾斜量の実測結果を示す平面図である。なお、図中の破線は傾斜量を補正していない燃料電池スタックを示し、実線は傾斜量を補正した燃料電池スタックを示す。
【００３８】
図１４に示すように、傾斜量を補正しない燃料電池スタックでは、傾斜量Ｘ１が１．６ｍｍであったが、本実施形態に係る製造方法により製造した燃料電池スタック３０では、完成時の傾斜量Ｘ２が０．２５ｍｍに改善されており、傾斜量を約８５％低減することができた。
【００３９】
燃料電池スタックの傾斜を修正する他の方法としては、例えばストロークを調整可能なタイロッドボルトを用いたり、または傾斜を調整可能なプレートを積層体４に挟む等の方法があるが、これらの方法では、別途の部品が必要であるために部品コストや組立コストが増大し、また荷重や傾きを調整するための装置が別途必要となり、製造コストが増加する。また、これらの方法では、燃料電池スタックに発電に寄与しない部品を追加することになるため、燃料電池としての出力密度が低下する。また、荷重の調整や傾きの調整は、燃料電池スタックへの荷重付与後に行われるため、作業が増加して製造コストが増加する。
【００４０】
しかし、本実施形態によれば、燃料電池スタックに新たな構成部材を設ける必要がないため、製造コストの削減が可能であり、また出力密度の低下を防止できる。
【００４１】
また、燃料電池スタック毎に荷重付与後に調整作業を行う必要がないため、連続的に組み立てが可能となり、組立コストを削減できる。
【００４２】
また、積層体４を、非荷重または低荷重状態で補正方向へ傾斜させるため、傾斜させるための力を小さくでき、設備を簡素化して製造コストを削減できる。
【００４３】
また、本実施形態に係る製造方法において、位置決め治具７が載置台６に連結されたまま切り離されないため、作業工数の削減ができ、製造コストを削減できる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、回転支持部１２は、それぞれの辺に２つずつ設けられているが、燃料電池構成部材２を位置決め治具７により良好に押圧できるのであれば、それぞれの辺に３つ以上が設けられてもよく、また１つでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】同製造装置により燃料電池スタックを保持した際を示す平面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池スタックの製造装置を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】同製造装置の位置決め治具を示す斜視図である。
【図６】同製造装置の位置決め治具の他の例を示す斜視図である。
【図７】燃料電池スタックの製造方法のフローを示す図である。
【図８】補正量決定工程において製造装置に積層体を設置した際を示す平面図である。
【図９】補正量決定工程において積層体に荷重を付与した際を示す平面図である。
【図１０】補正量決定工程において積層体の傾斜量を計測する際を示す平面図である。
【図１１】積層工程において積層体を位置決め治具により補正方向へ傾斜させた際を示す平面図である。
【図１２】積層工程において傾斜させた積層体に荷重を付与した際を示す平面図である。
【図１３】補正量決定工程において積層体を位置決め治具から開放した際を示す平面図である。
【図１４】燃料電池スタックの傾斜量の実測結果を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    燃料電池スタックの製造装置、
２    燃料電池構成部材、
２Ａ    セパレータ、
２Ｂ    エンドプレート、
４    積層体、
６    載置台、
７    位置決め治具、
８    スライド機構、
９    制御部、
１０    加圧手段、
１２    回転支持部、
１３    当接面、
１６    スライド部、
１７    連結部、
２３    サーボモータ、
２５    押圧部、
２６    変位計（傾斜量計測器）、
３０    燃料電池スタック、
Ｈ    補正量、
Ｘ    傾斜量。
【図１】
2008234920.tif 000003
【図２】
2008234920.tif 000004
【図３】
2008234920.tif 000005
【図４】
2008234920.tif 000006
【図５】
2008234920.tif 000007
【図６】
2008234920.tif 000008
【図７】
2008234920.tif 000009
【図８】
2008234920.tif 000010
【図９】
2008234920.tif 000011
【図１０】
2008234920.tif 000012
【図１１】
2008234920.tif 000013
【図１２】
2008234920.tif 000014
【図１３】
2008234920.tif 000015
【図１４】
2008234920.tif 000016