JP2005243565A - 燃料電池の組立て方法および組立て治具 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素の位置決め精度が高く、塵芥が構成要素間に付着介在して燃料や空気の流れが阻害されることが少なく、燃料電池の組立て作業効率が高い組立て方法および組立て治具を提供する。
【解決手段】燃料流路および空気流路を形成したセパレータ２および膜電極触媒接合体１の少なくとも一方を吸着によりチャック２２に保持固定する第１工程と、上記セパレータ２および膜電極触媒接合体１の少なくとも一方を吸着したチャック２２を、発電ユニットの形成空間２５の外部に配設された少なくとも一対のガイドシャフト２４に沿って所定位置に案内する第２工程と、上記吸着状態を解除してチャック２２に固定されていたセパレータ２および膜電極触媒接合体１の少なくとも一方を脱着し所定位置に載置する第３工程を所要回数繰返す。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池の組立て方法および燃料電池の組立て治具に係り、特に燃料電池の複数の構成要素を順次保持した後に所定位置に位置決めし、さらに積み重ねて燃料電池を組み立てる際に、構成要素の位置決め精度が高く、また保持操作時、位置決め操作時および積み重ね操作時においても、発塵が少なく塵芥が構成要素間に付着介在して燃料や空気の流れが阻害されることが少なく、電池効率が高い燃料電池を高い作業効率で組み立てることが可能な燃料電池の組立て方法およびその組立て方法で好適に使用される燃料電池の組立て治具に関する。

例えば、水素を主体にした燃料と酸素を主体にした酸化剤とを電気化学的に反応させて、その反応エネルギーを電気として直接取り出す発電装置は、他の発電機と比較して高いエネルギー効率が得られるため、都市分散型電源、宇宙船用電源のみならず、近年になって小型の携帯情報端末やデジタルカメラ、パーソナルコンピュータなど、バッテリーにより駆動可能な携帯型電子機器の駆動電源としても普及しつつある。

また、最近になって環境問題が大きくクローズアップされ、環境に配慮したバッテリーとしてメタノールを燃料として使用するメタノール型燃料電池も実用化されつつある。このメタノール型燃料電池は、燃料として供給されるメタノールと酸素とを反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものである。

図４は上記従来のメタノール型燃料電池の一般的な構造を模式的に示す断面図である。このメタノール型燃料電池１００は、膜電極触媒接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）１とセパレータ２とを交互に所要数積み重ねてスタック（発電ユニット）を構成し、このスタックを積層方向に締め付けて全体を固定して構成されている。

上記膜電極触媒接合体１は、ナフィオン(nafion)膜等のイオン交換膜から成る導電膜３と、この導電膜３の一面側に配置された触媒層４および拡散層５からなるアノード（燃料極）６と、導電膜３の他面側に配置された触媒層７および拡散層８からなるカソード（空気極）９とから成る。また、上記セパレータ２の表裏面には、上記アノード６およびカソード９に燃料または空気を供給するための燃料流路１０および空気流路１１が形成されている。

上記のような従来のメタノール型燃料電池の組立て方法として、例えば特許文献１（特開平９−１３４７３４号公報）に記載されているような組立て方法が広く採用されている。すなわち、図５に示すように、スタック１１６加圧用の加圧板１１２に単位セル１１５組立て用の位置決め穴１０２を４箇所穿設し、この各位置決め穴１０２に長尺のノックピン１１３をそれぞれ挿入して直立させ、次にセル１１５の位置決め穴１０２を穿設した燃料電池構成用の膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）やセパレータなどの平板状部材を順次各々のセル１１５の位置決め穴１０２を上記ノックピン１１３の位置決め穴１０２に嵌合の上、積層してセル１１５を構成し、次いでこのセル１１５の形成を所要のセル数だけ繰返して積層してスタック１１６を構成し、しかる後に加圧プレートを用いて締め付け固定することを特徴とする燃料電池の組立方法が開示されている。
特開平９-１３４７３４号公報（第１−３頁、図４−５）

しかしながら、上記多数枚の膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）とセパレータとを交互に所要数積み重ねてスタックを構成する作業は、従来から手作業が中心であり、組立作業性（作業効率）が極めて低い上に、膜電極触媒接合体やセパレータなどの平板状部品の裏と表とを取り違えて積層配置したり、取り付け方向を９０度から１８０度も誤って配置したり、隣接する平板状部材間に位置ずれを生じたりし易いため、高い位置精度での組立てが困難であった。したがって、組み上がった燃料電池の電池特性が均一に発揮されず発電特性が不安定になる問題点があった。

また、上記の配置の取り違えや位置ずれを回避するために、上記膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）やセパレータ等の平板状部材を積み重ねてスタックを構成する作業は、慎重に実施する必要があり、高度の熟練技術および多大な作業時間を必要とし、作業効率が低くなる問題があった。

これに対して、前記特許文献1に記載された従来の燃料電池の組立て方法においては、位置決め用のノックピン１１３を使用しているために、各単位セル１１５の位置決め精度はある程度は改善されるが、セル１１５の位置決め穴１０２を穿設した燃料電池構成用の膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）やセパレータなどの平板状部材を順次、各々のセル１１５の位置決め穴１０２を上記ノックピン１１３に嵌合した状態で、下方に摺動せしめて所定位置に載置しているため、摺動部から発塵する可能性があり、発生した微細な塵芥が平板状部材間に噛み込まれてガス流路等を詰まらせるため、所定の電池性能が得られない。また、膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）とセパレータとの位置ずれにより該部の密着性（シール性）が不十分となり、組立て後に実施する気密試験においてガスや冷却水のリークが生じて所要の電池特性が得られないという問題点も生じていた。

特に位置決め用のノックピン（ガイドピン）の配設位置が、発電ユニットの形成空間の内部であるために、ノックピンと位置決め穴とで形成される摺動部で発生した塵芥はそのまま発電ユニットの内部に落下付着することになり、平板状部材間に噛み込まれた塵芥によってガス流路等が部分的に詰まり、所定の電池性能が得られない。また、膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）とセパレータとの位置ずれにより該部の密着性（シール性）が不十分となり、所要の電池特性が得られないという問題点も生じていた。

一方、発電ユニットを構成する各平板状部材の位置決め精度（組立て精度）については、大きな発電容量を有する都市分散型電源、家庭用電源としての大型の燃料電池においては、比較的に影響は少ないといえるが、携帯情報端末やデジタルカメラ、パーソナルコンピュータなど小型の携帯型電子機器用の駆動電源として燃料電池を使用する場合には、僅かな位置ずれが電池特性に大きな影響を及ぼすため、組立て精度は±０．３ｍｍ程度が要求されている。さらに、今後、より小型の電子機器用の駆動電源として燃料電池が使用される場合には、燃料電池自体も小型化する必要があり、その組立て精度は±０．２ｍｍ程度から、さらに±０．１ｍｍ程度まで厳格に要求される見通しである。

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、電池効率が高い燃料電池を高い作業効率で組み立てることが可能な燃料電池の組立て方法およびその組立て方法で好適に使用される燃料電池の組立て治具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池の組立て方法は、燃料流路および空気流路を形成したセパレータと膜電極触媒接合体とを交互に所定位置に所要数積み重ねて発電ユニットを組み立てる燃料電池の組立て方法において、上記セパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を吸着によりチャックに保持固定する第１工程と、上記セパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を吸着したチャックを、発電ユニットの形成空間の外部に配設された少なくとも一対のガイドシャフトに沿って所定位置に案内する第２工程と、上記吸着状態を解除してチャックに固定されていたセパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を脱着し所定位置に載置する第３工程とを備え、これらの第１工程から第３工程に至る組立て工程を所要回数、繰返すことを特徴とする。

また本発明に係る燃料電池の組立て治具は、燃料電池を構成する複数の平板状部品を所定位置に所要数積み重ねて発電ユニットを組み立てる燃料電池の組立て治具において、上記平板状部品を吸着によって保持固定するチャックと、上記チャック本体に穿設された案内孔に嵌合して、上記平板状部品を保持固定したチャックを所定位置に案内する少なくとも一対のガイドシャフトとを備え、上記ガイドシャフトが上記発電ユニットの形成空間の外部に配設されていることを特徴とする。

上記構成に係る燃料電池の組立て方法および組立て治具によれば、燃料電池の組立て作業効率を大幅に向上させることが可能になると共に、製品品質の均一性が達成される。

以下本発明の燃料電池の組立て方法および組立て治具の１実施形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池の組立て治具の構成を示す斜視図である。本実施形態に係る燃料電池の組立て治具２０は、燃料電池を構成するセパレータ２や膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）１などの複数の平板状部品２１を所定位置に所要数積み重ねて発電ユニットを組み立てる燃料電池の組立て治具２０において、上記平板状部品２１を真空吸着によって保持固定するチャック２２と、上記チャック２２の本体２２ａに穿設された一対の案内孔２３に嵌合して、上記平板状部品２１を保持固定したチャック２２を所定位置に案内する一対のガイドシャフト２４，２４とを備え、上記ガイドシャフト２４が上記発電ユニットの形成空間２５の外部に配設されて構成されている。

上記一対のガイドシャフト２４，２４は、治具の基台２６上面に所定の間隔を置いて立設されており、各ガイドシャフト２４の先端部は、上記チャック２２の本体２２ａに穿設された一対の案内孔２３に嵌合し易くするために、半球面状に形成されている。基台２６上面で所定の間隔を置いて立設された一対のガイドシャフト２４、２４の中間部の所定位置には、平板状部品２１を積み上げて形成した発電ユニットを押圧・締め付けるためのエンドプレート２７が配置されている。このエンドプレート２７の周縁部には、積み重ねる矩形状の平板状部品２１の２辺を受け止めて位置決めする３本の突起２８が立設されている。

セパレータ２や膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）１などの矩形状の平板状部品２１をチャック２２やエンドプレート２７の所定位置に位置決めするには、平板状部材２１の少なくとも２辺を基準辺として位置決めを行う方式で十分である。

なお、上記位置決め突起２８による位置決め固定方式に替えて、チャック２２の吸着部２９と同様に、所定形状を有する平板状部品２１を収納する凹部を設けて位置決め固定する方式を採用することもできる。

一方、チャック２２の裏面（下面）には、平板状部材２１を真空吸着するための吸着部２９が形成されている。この吸着部２９は、図２に示すようにセパレータ２および膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）１などの平板状部品２１を一枚ずつ吸引して所定位置に固定する段差を形成した凹部３０で形成されている。膜電極触媒接合体１を吸着する凹部３０には吸引孔３１が配設される一方、セパレータ２を吸着する凹部３０には吸引孔３２が配設される。各吸引孔３１，３２は、可撓性を有する空気配管３３を経由して、真空ポンプ等の真空源３４に接続される。各空気配管３３には、各吸引孔３１，３２と真空源３４とを接続したり遮断したりするための切替弁３５，３６がそれぞれ介装されている。

本実施形態における燃料電池の組立て治具２０においては、前記平板状部品２１が、図４に示すように燃料流路１０および空気流路１１を形成したセパレータ２と膜電極触媒接合体１とから成る場合を例示しており、前記チャックは図２に示すように、１回の保持操作において１枚のセパレータ２と１枚の膜電極触媒接合体１とを保持固定できるように構成されている。

平板状部品２１としての膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）１は、例えば図４に示すように導電膜としての厚さが数１０〜数１００μｍ程度の薄い高分子電解質膜３の両側の面に燃料極（アノード）６と空気極（カソード）９とを熱圧着により接合して形成されたものである。上記燃料極６と空気極９は、それぞれ触媒層４，７と拡散層５，８との２層から成り、導電膜３の側が電気化学的反応を生じる触媒層４，７である一方、その外側が集電体の役割を果たす拡散層５，８である。上記触媒層４，７は、燃料電池の反応が起こる要部であり、カーボンブラックに保持した触媒と導電膜の溶液と接合剤とを混合して形成されている。一方、拡散層５，８は、ガスが透過しやすい多孔質のカーボンペーパーで構成されている。

上記のような燃料電池の組立て治具２０を使用して燃料電池を組み立てる作業は、以下のような工程で実施される。すなわち、予め燃料流路および空気流路を形成したセパレータ２と予め一体に形成された膜電極触媒接合体１とを堆積貯留した半製品置き場へチャック２２を移動する。

なお、チャック２２を上記半製品置き場から組立て治具２０のガイドシャフト２４まで往復移動する機構については図示を省略しているが、各種直線移動機構、２次元移動機構、昇降装置などの公知の移動機構を組み合わせたものを採用できる。

上記セパレータ２や膜電極触媒接合体１等の平板状部材２１をチャック２２に真空吸着する操作は、図２に示すように、まず切替弁３５を切り替えて真空源３４と吸引孔３１とを連通させて吸引孔３１に吸引力を発生せしめ、凹部３０に膜電極触媒接合体１を吸着固定する。次に切替弁３６を切り替えて真空源３４と吸引孔３２とを連通させて吸引孔３２に吸引力を生じせしめ、凹部３０にセパレータ２を吸着して保持固定することにより、第１工程を完了する。

次に上記セパレータ２および膜電極触媒接合体１の双方を真空吸着したチャック２２を、図１に示すように組立て治具２０方向に移動せしめ、図３に示すように発電ユニットの形成空間２５の外部に配設された一対のガイドシャフト２４の先端にチャック２２の案内孔２３を嵌合した後に、チャック２２をガイドシャフト２４に沿って下方の所定位置に案内して第２工程を完了する。

次に、図２に示す切替弁３２を切り替えて空気配管３３を大気に解放させて吸引孔３２の吸引力を無くして真空吸着状態を解除することにより、チャック２２の吸着部２９に固定されていたセパレータ２を、図３に示すように脱着し、エンドプレート２７上の所定位置にセパレータ２を載置する。このとき、載置したセパレータ２の２辺が位置決め突起２８，２８，２８に当接するように、セパレータ２を突起２８側に押圧する機構を作動させ、エンドプレート２７上に載置されたセパレータ２がエンドプレート２７上を移動しないように構成することにより、位置決め精度をより高められる。

次に、図２に示す切替弁３５を切り替えて空気配管３３を大気に解放させて吸引孔３１の吸引力を無くして真空吸着状態を解除することにより、チャック２２の吸着部２９に固定されていた膜電極触媒接合体１を脱着し、図３に示すように、上記脱着したセパレータ２上の所定位置に膜電極触媒接合体１を載置することにより第３工程が完了する。

そして、上記のような一つの単一セルを組み立てるための上記第１工程から第３工程に至る組立工程を所要回数繰返すことにより、所定の発電容量を有する発電ユニットが構成され、この発電ユニットの上端部に他方のエンドプレートを載置し、締め付けた状態で各セルを固定することにより、燃料電池が効率的に組み立てられる。

上記本実施形態に係る燃料電池の組立て治具２０および組立て方法によれば、セパレータ２および膜電極触媒接合体１などの平板状部材２１をチャック２２に保持固定する工程と、平板状部材２１を真空吸着したチャック２２をガイドシャフト２４に沿って所定位置に案内する工程と、真空吸着状態を解除してチャック２２に固定されていた平板状部材２１を所定位置に載置する工程とから成る一連の組立工程を自動化することが可能になり、燃料電池の組立て作業効率を大幅に向上させることが可能になると共に、製品品質の均一性が達成される。

また、平板状部材２１を真空吸着によりチャック２２に保持固定しているため、保持固定操作時に摺動部が形成されたり、衝撃力が作用したりすることが無く、発塵が効果的に防止でき、塵芥の噛み込みによる燃料電池の動作不良が解消でき、発電特性が良好な燃料電池が得られる。さらにガイドシャフト２４は発電ユニットの形成空間２５の外部に配設されているために、チャック２２の摺動部で発生した塵芥等が直接的に発電ユニット内に混入するおそれは少なく、塵芥の噛み込みによる燃料電池の動作不良が解消できる。

さらに平板状部材２１を真空吸着したチャック２２はガイドシャフト２４に沿って所定位置に案内されるため、平板状部材２１の位置決め精度が高く、セパレータ２および膜電極触媒接合体１に位置ずれを生じることなく高い組立て精度で発電ユニットを組み上げることができ発電特性が良好な燃料電池が得られる。

また、本実施形態においては、平板状部材２１が燃料流路および空気流路を形成したセパレータ２と膜電極触媒接合体１とから成り、前記チャック２２が１回の保持操作によって１枚のセパレータ２と１枚の膜電極触媒接合体１とを保持固定できるように構成されているため、セパレータ２と膜電極触媒接合体１とを１枚ずつ交互にチャックして保持固定する場合と比較して、平板状部材２１を吸着固定するための作業効率を２倍に高めることが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の組立て治具の構成を示す斜視図。 図１に示す燃料電池の組立て治具における吸着部の構成を示す部分断面図。 図１に示す燃料電池の組立て治具におけるチャックの案内孔をガイドシャフトに嵌合させて、チャックを所定位置に案内する状態および、膜電極触媒接合体およびセパレータを脱着した状態を示す斜視図。 燃料としてメタノールを使用する燃料電池の構成を模式的に示す断面図。 従来の燃料電池の組立て方法を示す斜視図。

符号の説明

１…膜電極触媒接合体（ＭＥＡ）、２…セパレータ、３…導電膜（高分子膜）、４…アノード触媒層、５…拡散層（カーボンペーパー）、６…燃料極（アノード）、７…カソード触媒層、８…拡散層（カーボンペーパー）、９…空気極（カソード）、１０…燃料流路、１１…空気流路、２０…燃料電池の組立て治具、２１…平板状部材、２２…チャック、２２ａ…チャック本体、２３…案内孔、２４…ガイドシャフト、２５…発電ユニット形成空間、２６…基台、２７…エンドプレート、２８…位置決め突起、２９…吸着部、３０…凹部、３１…吸引孔、３２…吸引孔、３３…空気配管、３４…真空源（真空ポンプ）、３５…切替弁、３６…切替弁、１００…メタノール型燃料電池。

Claims (4)

1. 燃料流路および空気流路を形成したセパレータと膜電極触媒接合体とを交互に所定位置に所要数積み重ねて発電ユニットを組み立てる燃料電池の組立て方法において、上記セパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を吸着によりチャックに保持固定する第１工程と、
   上記セパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を吸着したチャックを、発電ユニットの形成空間の外部に配設された少なくとも一対のガイドシャフトに沿って所定位置に案内する第２工程と、
   上記吸着状態を解除してチャックに固定されていたセパレータおよび膜電極触媒接合体の少なくとも一方を脱着し所定位置に載置する第３工程とを備え、
   これらの第１工程から第３工程に至る組立て工程を所要回数繰返すことを特徴とする燃料電池の組立て方法。
2. 上記第１工程において、１枚のセパレータと１枚の膜電極触媒接合体とを同時にチャックに保持固定することを特徴とする請求項1記載の燃料電池の組立て方法。
3. 燃料電池を構成する複数の平板状部品を所定位置に所要数積み重ねて発電ユニットを組み立てる燃料電池の組立て治具において、
   上記平板状部品を吸着によって保持固定するチャックと、
   上記チャック本体に穿設された案内孔に嵌合して、上記平板状部品を保持固定したチャックを所定位置に案内する少なくとも一対のガイドシャフトとを備え、上記ガイドシャフトが上記発電ユニットの形成空間の外部に配設されていることを特徴とする燃料電池の組立て治具。
4. 前記平板状部品が、燃料流路および空気流路を形成したセパレータと膜電極触媒接合体とから成り、前記チャックは１回の保持操作において１枚のセパレータと１枚の膜電極触媒接合体とを保持固定できるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の組立て治具。

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