JP5076681B2 - 燃料電池の組立装置および組立方法，この組立方法によって組み立てた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜および電解質膜の両側に積層配置するセパレータを有する燃料電池構成部品相互間にシール材を介装して組み立てる燃料電池の組立装置および組立方法，この組立方法によって組み立てた燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。このような燃料電池として、例えば下記特許文献１には、膜・電極接合体とその両側に配置するセパレータとの間に、ガスケットに代えて液状のシール材を塗布するものが記載されている。

ここで、セパレータに反りが発生している場合に、該セパレータに膜・電極接合体を積層する積層ステーションに付設した矯正装置で、圧縮空気を噴出させたときに発生する負圧により、シール材を上面に塗布するセパレータを吸引して平坦化することで、セパレータの反りを矯正し、この状態でセパレータに膜・電極接合体を接合している。
特開２００３−２２８２７号公報

しかしながら、上記した従来の燃料電池の組立装置では、１枚のセパレータを吸引によって平坦に矯正するものである。このため、この１枚のセパレータに積層する１つの膜・電極接合体を含む１つの燃料電池、すなわち燃料電池として単セルを製造する際には、吸引している間に液状シール材を硬化させて膜・電極接合体を積層固定することとなり、セパレータおよび膜・電極接合体からなる単セルを複数積層して、燃料電池スタックとして使用する場合には、上記の作業を単セル毎に実施する必要が生じ、製造時間が極めて長いものとなり、生産性の低下を招く。

そこで、本発明は、電解質膜と、電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを複数積層する場合であっても、短時間で積層固定できるようにすることを目的としている。

本発明は、電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間にシール材を介装して組み立てる燃料電池の組立装置であって、前記燃料電池構成部品相互間にシール材を介装した状態で、各燃料電池構成部品相互の間隔を可変とする部品間距離可変手段と、前記各燃料電池構成部品の積層方向両端を押さえつつ該積層方向に荷重を付与することで前記部品間距離可変手段による各燃料電池構成部品相互の間隔を狭める荷重付与手段とを備え、前記部品間距離可変手段は、ばねと、前記燃料電池構成部品の外周縁部より外側にあって前記ばねの中心に挿入されるロッドと、前記ばねの中心軸線方向に沿って形成される隙間に挿入配置されて前記燃料電池構成部品を支持する部品支持部材とをそれぞれ備え、前記部品支持部材は、前記ばねの中心軸線方向に沿って形成される隙間に挿入配置した状態で、前記各燃料電池構成部品の外周側縁部に対して接近離反する方向に移動可能であることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、相互間にシール材を介装した状態の燃料電池構成部品を、部品間距離可変手段によりシール材が圧縮されていない状態として積層し、この積層状態で荷重付与手段により各燃料電池構成部品相互の間隔を狭めることで、電解質膜と、電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを複数積層する場合であっても、一度にすべてのシール材を圧縮することができ、短時間で燃料電池構成部品を積層固定することができる。
また、部品間距離可変手段は、ばねを備えているので、部品間距離を可変とする機構の制御因子が荷重のみとなり、例えば変位センサを用いた電子的な可変制御に比べ、センサ類を具備しない分だけ装置のコストを低減することができる。
また、部品間距離可変手段は、燃料電池構成部品の外周縁部より外側にあってばねの中心に挿入されるロッドと、ばねの中心軸方向の隙間に挿入配置されて燃料電池構成部品を支持する部品支持部材とをそれぞれ備えているので、ばねにて燃料電池構成部品を支持するよりも、部品支持部材を介して燃料電池構成部品を支持することで、ばねやロッドと、燃料電池構成部品との間にクリアランスを設けることができ、燃料電池構成部品を積層する際にばねやロッドが邪魔にならず、燃料電池構成部品の積層作業が容易となる。
また、部品支持部材は、ばねの中心軸方向に沿って形成される隙間に挿入配置した状態で、燃料電池構成部品の外周側縁部に対して接近離反する方向に移動可能であるので、上部の部品支持部材を燃料電池構成部品から離れる方向に後退させておくことで、既に積層されている燃料電池構成部品の未硬化状態のシール材との接触を回避し、不良発生を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

まず、本発明の後述する全実施形態にわたって共通するかまたは類似する部分の燃料電池である燃料電池スタック１の構成を、図１〜図３を参照して説明する。本発明の燃料電池スタック１は、固体高分子電解質型燃料電池スタックであり、例えば自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いてもよい。

図１は燃料電池スタック１の斜視図、図２は、図１の燃料電池スタック１の側面図である。この燃料電池スタック１は、１Ｖ程度の起電圧を生じる単セル３を所定数積層して構成してあり、全体としてほぼ直方体形状を呈している。後述するが、これら積層した複数の単セル３は、例えば四隅に配した締結具であるテンションロッド５をスタック内部に貫通させて締結している。

図３は単セル３の構造を一部示す断面図である。この単セル３は、イオン交換膜からなる電解質膜７の外周縁部を除く両主面のアノード側およびカソード側それぞれに撥水層，触媒層（図示せず）およびガス拡散層９が配された膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１に燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路１３を備えた一対のセパレータ１５とを、シール材としての接着シール剤１７により接合した構造である。接着シール剤１７は、単セル３に流れる燃料ガス，酸化剤ガスの漏洩および混合を防止する役割も持つ。

上記したＭＥＡ１１およびセパレータ１５により燃料電池構成部品を構成している。

ＭＥＡ１１における電解質膜７は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であって湿潤状態で良好な電気伝導性を示し、外周部の全周にわたりガス拡散層９よりも外側に突出している。

ガス拡散層９は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する多孔質部材によって構成される。

撥水層は例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラック用からなる。触媒層は、ガス拡散層９に担持されて電極を形成するか、電解質膜７の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を担持して形成する。

セパレータ１５は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成する。代表的な例としては、金属やカーボンが挙げられる。このセパレータ１５には燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ分流するためのガス流路１３と、ガス流路１３の反対面に冷却水を流すための冷却水流路１９が形成されている。

上記冷却水の漏洩防止のため、互いに対向するセパレータ１５間にも接着シール剤２０を設けているが、この接着シール剤２０については圧縮ガスケットを用いたり、セパレータ材料が金属である場合は溶接シールなどであっても構わない。

燃料電池スタック１は、図１，図２に示すように、前述の単セル３を複数個積層して積層方向両端に、集電板２１およびエンドプレート２３を順次配置している。これら複数の単セル３、集電板２１およびエンドプレート２３からなる積層体を積層方向に荷重を付与して締め付け、この締め付け状態で該積層体の内部に貫通して設けた貫通孔に前記したテンションロッド５を挿通し、テンションロッド５の端部にナット２５を螺合締結する。

テンションロッド５は剛性を備えた材料、例えば金属材料によって形成し、単セル３同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施している。

集電板２１は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、エンドプレート２３は、剛性を備えた絶縁材料によって形成する。また、２枚の集電板２１にはそれぞれ出力端子２１ａを設けており、燃料電池スタック１で生じた起電力を出力端子２１ａから外部負荷に出力する。

上記したテンションロッド５による燃料電池スタック１の締付方法は、テンションロッド５を積層体の内部に貫通させる必要はなく、スタック外部でエンドプレート２３同士をテンションロッド５により締め付けるようにしてもよい。

また、上記した燃料電池スタック１の一方の端部のエンドプレート２３には、図１に示すように、燃料ガス入口２７および同出口２９、酸化剤ガス入口３１および同出口３３、冷却水（冷却媒体）入口３５および同出口３７を、それぞれ備えている。これら各入口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の単セル３への各分配流路および、各出口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の単セル３からの各集合流路を、エンドプレート２３，集電板２１および複数積層した単セル３を貫通して形成する。

上記した各分配流路および各集合流路は、前記したセパレータ１５のアノード側およびカソード側の各ガス流路１３，１３、冷却水流路１９の各対応する流路にそれぞれ連通している。

上記した燃料電池スタック１において、アノード側に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒層にて水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜７を介してカソード側の触媒層へと移動する。

その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側のガス拡散層９には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側の触媒層において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

上記燃料ガスと酸化剤ガスの反応熱により、燃料電池スタック１の温度も昇温するわけだが、高分子イオン交換膜の耐熱温度を上回らぬよう、燃料電池スタック１を冷却する必要があり、該冷却のために、セパレータ１５におけるガス供給面の裏面に形成した冷却水流路１９に冷却水を供給することで燃料電池スタック１の温度制御を行っている。

このような燃料電池スタック１の燃料電池構成部品間には、供給されたガスおよび冷却水が燃料電池スタック１の外部へ漏洩しない、かつ、燃料電池スタック１内にて混合しないように、シール材である前記した接着シール剤１７を設けている。

なお、以下の実施形態において、正面図とは、ストレート流路における流路方向からの図とするが、流路形状やセパレータの形状および配置方向を限定するものではない。

［第１の実施形態］
図４は、本発明における燃料電池スタック組立装置の一例を一部示す正面断面図、図５は図４の組立装置の概略を示す分解斜視図である。この組立装置は、燃料電池構成部品であるセパレータ１５およびＭＥＡ１１からなる単セル３を複数積層する際の土台となる下面プレート３９と、これら複数の単セル３の上部側に配置する上面プレート４１とを備え、下面プレート３９上には、セパレータ１５およびＭＥＡ１１の外周側を囲むように外周縁部近傍位置にロッド４３を立設している。ロッド４３は、図５では円柱形状としているが、角柱形状としても構わない。

なお、以下の説明では、セパレータ１５およびＭＥＡ１１を単に電池構成部品３８と呼ぶことがある。

図５では、ロッド４３を、下面プレート３９上に載置する最下部のセパレータ１５またはＭＥＡ１１の周囲に３本設けており、ここでの３本のロッド４３は、矩形状を呈するセパレータ１５またはＭＥＡ１１の周囲４辺のうち３辺に対応して設置している。

これら各ロッド４３の上部は上面プレート４１に設けた摺動孔４１ａに移動可能に挿入される。また、上面プレート４１の四隅には、後述する図９（ｂ）に示してあるボルト４５を挿入するボルト挿入孔４１ｂを、下面プレート３９の四隅には、ボルト４５を螺合締結するためのねじ孔３９ａを、それぞれ形成している。

また、ロッド４３の外周には、ばねであるコイルスプリング４７が装着されており、該コイルスプリング４７の中心に挿入したロッド４３の先端（上端）は、図５に示すように圧縮されていない自然状態のコイルスプリング４７の上端から突出している
そして、図４に示すように、上記したコイルスプリング４７の中心軸方向に沿って形成されている各隙間４９に、部品支持部材としての支持プレート５１をそれぞれ挿入配置している。なお、図５では、１つのコイルスプリング４７に対し支持プレート５１を１枚のみ示している。

支持プレート５１は、図５に示すように長方形の板材で構成され、ロッド４３を挿入する切欠部５１ａを設けている。切欠部５１ａは、長方形の短辺部側の一側部が開口し、この開口側が電池構成部品３８側に位置するよう設定している。また、この切欠部５１ａは、その幅Ｌをコイルスプリング４７の外径より狭くすることで、支持プレート５１を上記した隙間４９にてコイルスプリング４７に保持されるようにしている。

このような支持プレート５１は、最下部の電池構成部品３８の上に積層する複数の電池構成部品３８のすべてに対応して設置してあり、切欠部５１ａの開口側の先端部上に電池構成部品３８の周縁１５ａ，１１ａを載置して電池構成部品３８を支持する。

なお、前記図３で説明したように、互いに隣接するセパレータ１５間に設けた接着シール剤２０に代えて、セパレータ材料が金属である場合に溶接シールとする際には、これら互いに隣接するセパレータ１５相互が溶接シールにより一体となるので、１枚の支持プレート５１により、この一体となっている２つのセパレータ１５の例えば下部側のセパレータ１５を支持することになる。したがって、この場合、図４に示してある互いに隣接する２つのセパレータ１５をそれぞれ支持している２枚の支持プレート５１のうち上部の支持プレート５１が不要となる。

また、前記図３における接着シール剤２０に代えて、圧縮ガスケットを用いる場合には、ＭＥＡ１１とその両側の２枚のセパレータ１５からなる３つの電池構成部品３８を図４のように支持プレート５１に支持させて、１つの単セル３毎に一括接合することになり、これら一括接合した各単セル３を複数積層する際に各単セル３相互間に上記の圧縮ガスケットを介装することになる。

上記したロッド４３，コイルスプリング４７および支持プレート５１により部品間距離可変手段を構成している。また、下面プレート３９と上面プレート４１とで、燃料電池構成部品を上下から挟持する挟持部材となる荷重付与手段を構成している。

接着シール剤１７は、各セパレータ１５の周縁１５ａの内側（中心側）に設けた環状の凹部１５ｂに環状となるよう塗布するとともに、凹部１５ｂに対応する位置のＭＥＡ１１（電解質膜７）の上面にも同様にして環状となるよう塗布してある。

上記した下面プレート３９上に載置した電池構成部品３８（セパレータ１５）の上に、接着シール剤１７を塗布した電池構成部品３８（ＭＥＡ１１）を積層する際、この電池構成部品３８（ＭＥＡ１１）を、コイルスプリング４７の隙間４９に挿入する支持プレート５１上に載置する。この作業を繰り返し、所定数の電池構成部品３８を順次積層する。

ここで、上記のように所定数の電池構成部品３８を積層した状態で、図４に示すように、最下部に載置してあるセパレータ１５に塗布した接着シール剤１７の上端面と、ＭＥＡ１１の接着面（電解質膜７とガス拡散層９との接着面）との距離Ｈが、Ｈ＞０となるように、コイルスプリング４７のばね定数および支持プレート５１の剛性を決定する。

なお、ＭＥＡ１１を最下部とした場合には、ＭＥＡ１１上の接着シール剤１７の上端面と、その上に載置するセパレータ１５の接着シール剤１７との接触面との距離が、上記したＨに相当することになる。

上述したように、電池構成部品３８を複数枚積層していくため、複数枚積層後のコイルスプリング４７の隙間４９は、電池構成部品３８や支持プレート５１の自重によって下面プレート３９近傍が圧縮されて密の傾向であり、逆に上面プレート４１近傍が疎の傾向である。このため、最もコイルスプリング４７のピッチ（隙間４９）が密となる下端部で、Ｈ＞０となるようにコイルスプリング４７のばね定数および支持プレート５１の剛性を決定する。

なお、参考例としては、コイルスプリング４７を使わずに、各電池構成部品３８を上記した距離ＨがＨ＞０となる状態で支持する支持機構を設け、この支持機構による各電池構成部品３８間の距離を変位センサにより測定しながら可変制御をするという構造であっても構わない。

図６は、電解質膜７の両主面に配してあるガス拡散層９の圧縮特性について示している。ガス拡散層９は前述したように多孔質材料であり、荷重に対し圧縮性を備えている。また、ガス拡散層９はセパレータ１５と接触し電子の移動が行われるため、この接触面の接触抵抗値を低減させることで燃料電池スタック１の出力効率を向上させるこができる。接触抵抗は付与荷重に感度があり、セパレータ１５の材質や、ガス拡散層９の材質などにもよるが、０．５〜２．０ＭＰａの接触面圧となるように燃料電池スタック１に対する所定荷重Ｆ（図７）を決定する。

図６では、同図（ａ）のように、ガス拡散層９がセパレータ１５に接触した状態から荷重ｆを付与した際に、同図（ｂ）のように寸法ｔだけ圧縮されることを示している。

図７は、前記図４に示した電池構成部品３８の積層状態から、上面プレート４１を用いて燃料電池スタック１に対し所定荷重Ｆを付与した状態を示す。図７における所定荷重Ｆは、図６に示した荷重ｆと、コイルスプリング４７を圧縮させるために必要な荷重ｐとの和（Ｆ＝ｆ＋ｐ）である。

上面プレート４１がコイルスプリング４７および電池構成部品３８（本例では最上部のセパレータ１５）を押していく過程で、接着シール剤１７とその上方に位置する被着部品（電池構成部品３８）の被着面との距離ＨがＨ＝０、すなわち接着シール剤１７とその上方に位置する被着部品とが接触した状態になり、その後さらにガス拡散層９が圧縮量ｔだけ潰された時点で、付与荷重がＦに到達して所定荷重付与状態となる。

なお、上記荷重を付与していく過程で、接着シール剤１７とガス拡散層９は、セパレータ１５に対していずれか一方が先に接触しても、また同時に接触しても構わない。

上記図７のように荷重付与した状態で、前述したボルト４５などを用いて上面プレート４１と下面プレート３９とを締結し、オーブンなどで熱を付与し接着シール剤１７を硬化させる。接着シール剤１７が硬化したら、支持プレート５１が電池構成部品３８に接触しない位置まで支持プレート５１を後退させ、上面プレート４１と下面プレート３９との締結を解除して燃料電池スタック１のモジュール体が完成する。

そして、このモジュール体の両端部に、前記図１，図２に示した集電板２１およびエンドプレート２３を順次配置し、最後にテンションロッド５を用いて締結し、これにより燃料電池スタック１が完成する。

なお、下面プレート３９上に載置する最下部の電池構成部品３８がＭＥＡ１１の場合には、このＭＥＡ１１よりも積層方向外側の端部に圧縮ガスケットからなるシール材を介してセパレータ１５を別途配置する。

図８〜図１０は、上記した燃料電池の組立装置を用いたモジュール体の組立方法を示している。なお、図８〜図１０は、単に組立方法を説明するための図であり、積層する電気構成部品８の数については単セル３に対応する数とは必ずしも一致していない。

まず、図８（ａ）に示すように、１つの電池構成部品３８（ここではセパレータ１５）をシール剤塗布台５３上に載置し、シール剤塗布台５３の下方からシール剤塗布台５３に設けた図示しない多数の小孔を通して空気を吸引することで、電池構成部品３８を吸引拘束して固定する。その後、ディスペンサ５５にて接着シール剤１７を所定位置に塗布する。

なお、本例ではディスペンサ５５を用いた塗布方法であるが、例えばスクリーン印刷型塗布装置を用いるなど、塗布の方法は問わない。

上記図８（ａ）の方法にて、モジュール化を行う電池構成部品３８の全て（ただし、最上部の電池構成部品３８を除く）に、接着シール剤１７をあらかじめ塗布しておく（シール材塗布工程）。

次に、図８（ｂ）に示すように、前述した組立装置における支持プレート５１をすべて後退位置として、切欠部５１ａの開口側の先端側を電池構成部品３８に対して接触しない離反した状態とした上で、下面プレート３９上の各ロッド４３に囲まれた中央部位に最下部の電池構成部品３８（セパレータ１５）を載置する。

その後、図８（ｃ）のように、最下部の支持プレート５１を前進移動させて、その支持プレート５１の先端上に、上記の電池構成部品３８（セパレータ１５）の上に積層する電池構成部品３８（ＭＥＡ１１）を載置する。

以後、同様に、上記した支持プレート５１を前進させた状態で電池構成部品３８を支持プレート５１上に載置する作業を繰り返し行うことで、図９（ａ）のように所定数の電池構成部品３８の積層を完了する（部品積層工程）。その後、図５で示したように上面プレート４１をその摺動孔４１ａにロッド４３を挿入させてセットし図４の状態とする。

この状態で図９（ｂ）に示すように、油圧プレス５７により前述の所定荷重Ｆを付与し、該所定荷重Ｆを付与した状態でボルト４５を締結する。そして、この締結状態で図１０（ａ）のようにオーブン５９に投入し、熱付与を行うことで接着シール剤１７を硬化させる（シール材硬化工程）。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のオーブン５９で加熱する代わりに、ホットプレス６１を用いる方法を示している。この場合には、ホットプレス６１により所定荷重Ｆを加えた状態で熱付与を行って接着シール剤１７を硬化させる。

本実施形態では、接着シール剤１７が硬化完了した時点で燃料電池スタック１のモジュール体は完成するが、図１０（ａ），（ｂ）のいずれの場合も、所定荷重Ｆを開放する前に、支持プレート５１が電池構成部品３８に対し離反して接触しない、前記図８（ｂ）と同様な位置まで支持プレート５１を後退移動させる。

そして、支持プレート５１を後退移動させた状態で、図１０（ａ）の場合はさらにオーブン５９から取り出した状態で、ボルト４５を外して所定荷重Ｆを開放することで、電池構成部品３８の積層体からなる前述したモジュール体が完成する。

ところで、燃料電池スタック１中のある構成部品に不良が発生した場合、所定数のセパレータおよびＭＥＡ全てに対し品質調査を行い、不良部品の特定および交換を行うといった工数が発生するわけだが、本実施形態のように電池構成部品３８をモジュール化することで、モジュール単位での不良品交換が可能であり、飛躍的な生産工数の削減が可能となる。

以上より本実施形態によれば、コイルスプリング４７に保持させた支持プレート５１を備える部品間距離可変手段により、接着シール剤１７を塗布した状態の電池構成部品３８を接着シール剤１７が圧縮されていない状態として積層し、この積層状態で所定荷重Ｆを付与して各電池構成部品３８相互の間隔を狭めることで、電解質膜７を備えるＭＥＡ１１と、該ＭＥＡ１１の両側に積層配置するセパレータ１５とを複数積層する場合であっても、一度に接着シール剤１７を圧縮してシール性を損なうことなく短時間で効率よく積層することができる。

この際、各電池構成部品３８相互間に設定してある接着シール剤１７のすべてをほぼ同時に硬化させた状態で荷重付与を解除できるので、接着シール剤１７の未硬化の発生を防止して接着シール剤１７における途切れ部分の発生を回避し、シール性を高めることができ、信頼性の高いモジュール体となる。

なお、反りを持つセパレータを矯正しながら接着シール剤を塗布し、被接着体となるＭＥＡと接触させた後に接着シール剤が未硬化の状態で矯正を開放すると、該部品間に反りに伴う浮きが生じ、その浮きにより接着シール剤に張力が発生し、接着シール剤に引き切れが発生する。しかしながら、本実施形態では、荷重を付与している時間を充分に掛けたとしても、従来の積層方法に比べ、確実にシールできる上に、大幅に積層時間を短縮できる。

また、本実施形態では、部品間距離可変手段による各電池構成部品３８相互の間隔の可変範囲は、電池構成部品３８相互間に介装した接着シール剤１７が、塗布初期状態からその両側に位置する電池構成部品３８により押圧されて所定量圧縮される状態となるまでとしたので、各電池構成部品３８間すべての接着シール剤１７の潰れ後の厚さを一定として、作製したモジュール体の積層方向の高さばらつきが低減し、このモジュール体をあるスペースに組み込む際のレイアウト性向上に寄与することができする。

また、部品間距離可変手段は、コイルスプリング４７からなるばねを備えているので、部品間距離を可変とする機構の制御因子が荷重のみとなり、例えば変位センサを用いた電子的な可変制御に比べ、センサ類を具備しない分だけ装置のコストを低減することができる。

また、部品間距離可変手段は、電池構成部品３８の外周縁部より外側にあってコイルスプリング４７の中心に挿入されるロッド４３と、コイルスプリング４７の中心軸方向の隙間４９に挿入配置されて電池構成部品３８を支持する支持プレート５１とをそれぞれ備えているので、コイルスプリング４７にて直接電池構成部品３８を支持するよりも、支持プレート５１を介して電池構成部品３８を支持することで、コイルスプリング４７やロッド４３と、電池構成部品３８との間にクリアランスを設けることができ、電池構成部品３８を積層する際にコイルスプリング４７やロッド４３が邪魔にならず、電池構成部品３８の積層作業が容易となる。

前記支持プレート５１は、コイルスプリング４７の中心軸方向に沿って形成される隙間４９に挿入配置した状態で、各電池構成部品３８の外周側縁部に対して接近離反する方向に移動可能であるので、上部の支持プレート５１を電池構成部品３８から離れる方向に後退させておくことで、既に積層されている電池構成部品３８の未硬化状態の接着シール剤１７との接触を回避し、不良発生を防止することができる。

また、部品支持部材を板材である支持プレート５１で構成し、この支持プレート５１にその一側部に開口する切欠部５１ａを設け、この切欠部５１ａにロッド４３を挿入するとともに、切欠部５１ａの内側縁をコイルスプリング４７の隙間４９に挿入配置して支持プレート５１をコイルスプリング４７に移動可能に支持させたので、支持プレート５１をコイルスプリング４７に対して容易に移動させることができ、作業性が向上する。

また、前記した荷重付与手段は、各電池構成部品３８の積層方向両端にそれぞれ位置して該積層した電池構成部品３８を挟持する一対の挟持部材である下面プレート３９および上面プレート４１を備えているので、これら各プレート３９，４１によって積層状態の電池構成部品３８に対して効率よく荷重を付与することができる。

また、上記した燃料電池スタックの組立方法によれば、図８（ａ）に示すシール材塗布工程は、電池構成部品３８をシール剤塗布台５３に固定した状態で接着シール剤１７を塗布するようにしたので、塗布時間が短縮化し、かつ安定した塗布作業を連続的に行うことができる。

前記した部品積層工程は、下部に配置した電池構成部品３８の上方に、支持プレート５１を配置し、該支持プレート５１上に、前記下部に配置した電池構成部品３８の上部に積層する電池構成部品３８を載置するようにしたので、電池構成部品３８を積層する際に、その上方に位置する支持プレート５１が邪魔にならず、積層作業が容易となって不良品発生を防止することができる。

また、前記部品積層工程は、支持プレート５１を各電池構成部品３８の外周縁部から、積層方向と交差する外方へ離間する位置にあらかじめ配置した状態で、下部の電池構成部品３８を配置した後、その上方に位置する支持プレート５１を前記配置した電池構成部品３８の外周縁部の上方に移動させるようにしたので、燃料電池スタック１の製造毎に支持プレート５１の配置作業を省くことができ、積層時間を短縮化することができる。

前記シール材硬化工程は、各電池構成部品３８の積層方向両端から一対の挟持プレートである下面プレート３９および上面プレート４１により加圧挟持して積層方向に荷重を付与しつつ、電池構成部品３８を加熱するようにしたので、接着シール剤１７における途切れ部分の発生を回避し、モジュール体の積層方向の寸法ばらつきを低減させて信頼性を高めることができる。

また、上記したシール材硬化工程は、加熱炉であるオーブン５９内で電池構成部品３８を加熱することで、接着シール剤１７の全体を均一に加熱でき、接着シール剤１７を効率よく硬化させることができる。

さらに、前記したシール材硬化工程は、ホットプレス６１により積層方向に荷重を付与すると同時に、電池構成部品３８を加熱するようにしたので、接着シール剤１７を短時間で効率よく硬化させることができ、信頼性を高めることができる。

そして、このような組立方法によって製造した燃料電池スタック１は、接着シール剤１７による接着機能およびシール機能が良好となり、信頼性の高い製品となる。

［第２の実施形態］
図１１（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係わる部品間距離可変手段の概略を示す分解斜視図、図１１（ｂ）は下面プレート３９および下面プレート３９上の電池構成部品３８（セパレータ１５）を含む同正面図である。この部品間距離可変手段は、１枚の支持プレート５１Ａにつき、コイルスプリング４７とロッド４３を３セット設けており、かつ電池構成部品３８に近接する位置に２セットを配置するとともに、この２セットを互いに結ぶ直線上から外れて電池構成部品３８から離れた位置に他の１セットを配置している。換言すれば、他の１セットは、この１セットとは別の２セット同士を結ぶ直線上に配置していない位置関係となっている。

なお、支持プレート５１Ａに設けた切欠部５１Ａａは、その開口側を図５に示した第１の実施形態と同様に、電池構成部品３８側に位置させており、上記他の１セットに対応する切欠部５１Ａａを他の２つの切欠部５１Ａａよりも長く形成している。

また、図１１（ａ）では、長方形状の電池構成部品３８の１辺に対応する位置にのみ支持プレート５１Ａを設けた図としているが、この１辺と反対側の他の１辺に対応する位置には、上記の支持プレート５１Ａもしくは図５に示した支持プレート５１を配置する。

上記した支持プレート５１Ａを用いた場合であっても、図５に示した支持プレート５１を用いた場合と同様に、前記図８〜図１０に示した組立方法を採用して組み立てることができる。

このように、第２の実施形態によれば、ロッド４３およびコイルスプリング４７は、１つの支持プレート５１Ａあたり少なくとも３つ備え、この３つのロッド４３のうち任意の２つを互いに結ぶ直線上から外れた位置に、他のロッド４３を配置しているので、支持プレート５１Ａの据わり性が向上し、より安定して電池構成部品３８を支持することができる。

［第３の実施形態］
図１２は、本発明の第３の実施形態に係わる部品間距離可変手段の概略を示す分解斜視図である。この部品間距離可変手段に使用する支持プレート５１Ｂは、前記図１１に示した第２の実施形態による支持プレート５１Ａと同様に、１枚の支持プレート５１Ｂにつき、コイルスプリング４７とロッド４３を３セット設けており、かつ電池構成部品３８に近接する位置に２セットを配置するとともに、この２セットを互いに結ぶ直線上から外れて電池構成部品３８から離れた位置に他の１セットを配置している。

上記第３の実施形態における第２の実施形態と異なる点は、支持プレート５１Ｂに、支持プレート５１Ａの切欠部５１Ａａに代えて閉区間となる切欠穴５１Ｂａを設けたことであり、電池構成部品３８を積層配置する前に、この支持プレート５１Ｂをユニットとしてあらかじめロッド４３およびコイルスプリング４７に取り付けている。

この場合、支持プレート５１Ｂをロッド４３およびコイルスプリング４７に取り付ける作業としては、図１２に二点鎖線で示すように、切欠穴５１Ｂａの電池構成部品３８から離れた側の端部にコイルスプリング４７の外径より大きな挿入穴５１Ｂｂを設け、該挿入穴５１Ｂｂからロッド４３およびコイルスプリング４７を挿入し、その後支持プレート５１Ｂを、切欠穴５１Ｂａの両側縁をコイルスプリング４７の隙間４９に挿入した状態でロッド４３およびコイルスプリング４７に対してスライド移動させればよい。

このように第３の実施形態によれば、支持プレート５１Ｂをユニットとしてあらかじめロッド４３およびコイルスプリング４７に取り付けておくことで、燃料電池スタック１の製造毎に支持プレート５１Ｂの配置作業を省けるため、積層時間を短縮化することができる。

なお、支持プレート５１Ｂをロッド４３およびコイルスプリング４７に取り付ける作業として、前記図１２に示したコイルスプリング４７の外径より大きな挿入穴５１Ｂｂを設けずに、ロッド４３のみ切欠穴５１Ｂａに挿入し、かつ支持プレート５１Ｂ相互の間隔をコイルスプリング４７のピッチ（隙間４９）に合わせた状態で、ロッド４３の上端部からコイルスプリング４７を挿入しつつ、コイルスプリング４７側を雌ねじ、切欠穴５１Ｂａ側を雄ねじとした関係で、コイルスプリング４７を回転させながらロッド４３の軸方向に移動させることで、支持プレート５１Ｂをコイルスプリング４７に取り付けることもできる。

［第４の実施形態］
図１３は、本発明の第４の実施形態に係わる部品間距離可変手段の一部を示す正面図である。この部品間距離可変手段は、前記した各実施形態におけるコイルスプリング４７に代えて皿ばね６３使用している。すなわち、皿ばね６３を最下部および最上部とした状態で電池構成部品３８と皿ばね６３とを交互にロッド４３に取り付ける。この場合、皿ばね６３の負荷のかかっていない自然状態での上下厚さ寸法が、図４のコイルスプリング４７の隙間４９の高さ寸法に相当する。

また、この実施形態の場合は、図１２に示す閉区間の切欠穴５１Ｂａを備えた支持プレート５１Ｂを用いることで、第３の実施形態と同様に、支持プレート５１Ｂをユニットとしてあらかじめロッド４３および皿ばね６３に取り付けておくことができ、燃料電池スタック１の製造毎に支持プレート５１Ｂの配置作業を省けるため、積層時間を短縮化することが可能となる。

なお、上記したばねとして、コイルスプリング４７や皿ばね６３に限らず、圧縮特性を持つ樹脂リングや、ジャバラ状の樹脂ばねを使用しても構わない。

本発明は、以上に説明した各実施形態に限ることはなく、これら各実施形態に対し、安易に想像可能な代替案についても、本発明の意図を逸脱しない範囲内にて適用可能であることは言うまでもない。

本発明に係わる基本的な燃料電池スタックの斜視図である。 図１の燃料電池スタックの側面図である。 図１の燃料電池スタックにおける単セルの構造を示す断面図である。 本発明における燃料電池スタック組立装置の一例を示す正面断面図である。 図４の組立装置の概略を示す分解斜視図である。 電解質膜の両主面に配してあるガス拡散層の圧縮特性を示す説明図である。 図４に示した電池構成部品の積層状態から上面プレートを用いて所定荷重を付与した状態を示す説明図である。 燃料電池の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）はシール材塗布工程図、（ｂ），（ｃ）は部品積層工程図である。 燃料電池の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）は部品積層工程図、（ｂ）はシール材硬化工程図である。 燃料電池の組立装置を用いた組立方法を示す工程図で、（ａ）はオーブンを用いた場合のシール材硬化工程図、（ｂ）はホットプレスを用いた場合のシール材硬化工程図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係わる部品間距離可変手段の概略を示す分解斜視図、（ｂ）は下面プレートおよび下面プレート上の電池構成部品（セパレータ）を含む同正面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる部品間距離可変手段の概略を示す分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係わる部品間距離可変手段の一部を示す正面図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
７ 電解質膜（燃料電池構成部品）
１５ セパレータ（燃料電池構成部品）
１７ 接着シール剤（シール材）
３９ 下面プレート（挟持プレート，荷重付与手段）
４１ 上面プレート（挟持プレート，荷重付与手段）
４３ ロッド（部品間距離可変手段）
４７ コイルスプリング（ばね，部品間距離可変手段）
５１，５１Ａ，５１Ｂ 支持プレート（板材，部品支持部材，部品間距離可変手段）
５１ａ，５１Ａａ 支持プレートの切欠部
５１Ｂａ 支持プレートの切欠穴
５３ シール剤塗布台（シール材塗布台）
５９ オーブン（加熱炉）
６１ ホットプレス
６３ 皿ばね（ばね）

Claims (13)

1. 電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間にシール材を介装して組み立てる燃料電池の組立装置であって、前記燃料電池構成部品相互間にシール材を介装した状態で、各燃料電池構成部品相互の間隔を可変とする部品間距離可変手段と、前記各燃料電池構成部品の積層方向両端を押さえつつ該積層方向に荷重を付与することで前記部品間距離可変手段による各燃料電池構成部品相互の間隔を狭める荷重付与手段とを備え、
   前記部品間距離可変手段は、ばねと、前記燃料電池構成部品の外周縁部より外側にあって前記ばねの中心に挿入されるロッドと、前記ばねの中心軸線方向に沿って形成される隙間に挿入配置されて前記燃料電池構成部品を支持する部品支持部材とをそれぞれ備え、
   前記部品支持部材は、前記ばねの中心軸線方向に沿って形成される隙間に挿入配置した状態で、前記各燃料電池構成部品の外周側縁部に対して接近離反する方向に移動可能であることを特徴とする燃料電池の組立装置。
2. 前記部品間距離可変手段による前記各燃料電池構成部品相互の間隔の可変範囲は、前記燃料電池構成部品相互間に介装したシール材が、設置初期状態からその両側に位置する燃料電池構成部品により押圧されて所定量圧縮される状態となるまでであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の組立装置。
3. 前記ロッドおよびばねは、前記部品支持部材１つあたり少なくともそれぞれ３つ備え、この少なくとも３つのロッドのうち任意の２つを互いに結ぶ直線上から外れた位置に、他のロッドを配置することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の組立装置。
4. 前記部品支持部材を板材で構成し、この板材にその一側部に開口する切欠部を設け、この切欠部に前記ロッドを挿入するとともに、前記切欠部の内側縁を前記ばねの隙間に挿入配置して前記板材を前記ばねに移動可能に支持させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池の組立装置。
5. 前記部品支持部材を板材で構成し、この板材に切欠穴を設け、この切欠穴に前記ロッドを挿入するとともに、前記切欠穴の内側縁を前記ばねの隙間に挿入配置して前記板材を前記ばねに移動可能に支持させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池の組立装置。
6. 前記荷重付与手段は、前記各燃料電池構成部品の積層方向両端にそれぞれ位置して該積層した燃料電池構成部品を挟持する一対の挟持部材を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池の組立装置。
7. 電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間にシール材を介装して組み立てる燃料電池の組立方法であって、前記各燃料電池構成部品上にシール材を塗布するシール材塗布工程と、前記シール材を塗布した各燃料電池構成部品を、互いに所定間隔離れた状態で順次積層する部品積層工程と、前記積層した各燃料電池構成部品に対し積層方向に荷重を付与して前記所定間隔を狭めつつ、前記塗布したシール材を圧縮して硬化させるシール材硬化工程と、をそれぞれ備え、
   前記部品積層工程は、部品支持部材を前記各燃料電池構成部品の外周縁部から、積層方向と交差する外方へ離間する位置にあらかじめ配置した状態で、下部の燃料電池構成部品を配置した後、その上方に位置する前記部品支持部材を前記下部に配置した燃料電池構成部品の外周縁部の上方に移動させることを特徴とする燃料電池の組立方法。
8. 前記シール材塗布工程は、前記各燃料電池構成部品をシール材塗布台に固定した状態でシール材を塗布することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の組立方法。
9. 前記部品積層工程は、下部に配置した前記燃料電池構成部品の上方に、この燃料電池構成部品から離間した状態で部品支持部材を配置し、この部品支持部材上に、前記下部に配置した燃料電池構成部品の上部に積層する燃料電池構成部品を配置することを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池の組立方法。
10. 前記シール材硬化工程は、前記各燃料電池構成部品の積層方向両端から一対の挟持部材により加圧挟持して前記積層方向に荷重を付与しつつ、前記燃料電池構成部品を加熱することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池の組立方法。
11. 前記燃料電池構成部品の加熱は、加熱炉内で行うことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の組立方法。
12. 前記シール材硬化工程は、ホットプレスにより前記積層方向に荷重を付与すると同時に、前記燃料電池構成部品を加熱することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の組立方法。
13. 電解質膜と、この電解質膜の両側に積層配置するセパレータとを有し、これら電解質膜およびセパレータを有する燃料電池構成部品相互間にシール材を介装して組み立てる燃料電池の組立方法によって組み立てた燃料電池であって、前記各燃料電池構成部品上にシール材を塗布するシール材塗布工程と、前記シール材を塗布した各燃料電池構成部品を、互いに所定間隔離れた状態で順次積層する際に、部品支持部材を前記各燃料電池構成部品の外周縁部から、積層方向と交差する外方へ離間する位置にあらかじめ配置した状態で、下部の燃料電池構成部品を配置した後、その上方に位置する前記部品支持部材を前記下部に配置した燃料電池構成部品の外周縁部の上方に移動させる部品積層工程と、前記積層した各燃料電池構成部品に対し積層方向に荷重を付与して前記所定間隔を狭めつつ、前記塗布したシール材を圧縮して硬化させるシール材硬化工程と、を備える燃料電池の組立方法によって組み立てたことを特徴とする燃料電池。

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