JP2007157438A - 燃料電池セルの製造方法及び燃料電池セルの製造設備 - Google Patents

Abstract

【課題】セルを構成する金属板や薄膜電極組成体を組み立てて機械的に封止を行なうまでの工程を効率よく行なえる燃料電池セルの製造方法を提供すること。
【解決手段】薄膜電極組成体１０の両側に配置された金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａが絶縁シート１１，１２を間に介在させた状態でカシメ封止する方法において、周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された金属板４を立ち曲げ部が上方に向いた状態で金型上にセットする工程と、立ち曲げ部の内側に薄膜電極組成体１０をセットする工程と、薄膜電極組成体１０の上に更に金属板５をセットする工程と、立ち曲げ部全周を金属板５の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域４ａ，５ａを封止する工程とを有し、これら各工程を実施するための金型Ｎ１〜Ｎ６，Ｍ１，Ｍ２を円周方向に沿って工程毎に配置し、加工対象物を円周方向に沿って移動させながら、各工程を連続的に実施する。
【選択図】図４

Description

本発明は、板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止される燃料電池セルの製造方法及び燃料電池セルの製造設備に関するものである。

かかる燃料電池セルとして、下記特許文献１に開示される燃料電池セルが知られている。この燃料電池セルの基本的な構成は、板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された一対の金属板（カソード側金属板及びアノード側金属板）とを備え、これら金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止（機械的に封止）されている。また、薄膜電極組成体は、固体高分子電解質とその両側に配置される一対の電極板（アノード側電極板及びカソード側電極板）により構成される。金属板の周縁領域を電気的に絶縁した状態でカシメにより封止しているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに確実に燃料電池セルの封止を行なうことができる。これにより、メンテナンスも容易になり、燃料電池セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な形状や屈曲が可能になり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

特開２００５−２６８１７６号公報

そこで、本発明の課題は、かかる構成を有する燃料電池セルの製造方法及び製造設備を提供することである。特に、セルを構成する金属板や薄膜電極組成体を組み立てて機械的に封止を行なうまでの工程を効率よく行なえる燃料電池セルの製造方法及び製造設備を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池セルの製造方法は、
板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でプレス曲げ加工により封止される燃料電池セルの製造方法において、
周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された第１金属板を立ち曲げ部が上方に向いた状態で金型上にセットする工程と、
第１金属板の立ち曲げ部の内側に薄膜電極組成体をセットする工程と、
この薄膜電極組成体の上に更に第２金属板をセットする工程と、
プレス曲げ加工により、立ち曲げ部全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域を封止する工程と、を少なくとも有し、
これら各工程を実施するための金型を円周方向に沿って工程毎に配置し、加工対象物を円周方向に沿って移動させながら、各工程を連続的に実施することを特徴とするものである。

この燃料電池セルの製造方法の作用・効果を説明する。製造すべき燃料電池セルは、板状の薄膜電極組成体と、その両側に配置される第１・第２金属板を備えており、これら第１・第２金属板の周縁領域を絶縁層を介在させてプレス曲げ加工により封止を行う。また、この燃料電池セルは、板状の薄膜電極組成体をベースとして構成されるので、全体として薄型に形成することができる。周縁領域を封止するまでの工程は、次のような順序で行なわれる。

まず、周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された第１金属板を金型上にセットする。また、第１金属板は、立ち曲げ部が上方を向くようにセットされる。板状の薄膜電極組成体は第１金属板の立ち曲げ部の内側にセットされる。立ち曲げ部の内側では、第１金属板の上に薄膜電極組成体が載せられる状態でセットされる。更に、この薄膜電極組成体の上に第２金属板がセットされる。以上のように、第１金属板・薄膜電極組成体・第２金属板が積層された状態でセットされる。次に、立ち曲げ部全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域をプレス曲げ加工により機械的に封止する。これにより、内部が封止された状態となる。

また、各工程を実施するための金型を円周方向に沿って工程毎に配置する。加工対象物（第１金属板、薄膜電極組成体、第２金属板）は、円周方向に沿って移動され、各工程が連続的に実施される。従って、円周方向に沿って順次連続的に加工が行なわれ、所定の箇所から完成した燃料電池セルを取り出すように構成できる。その結果、セルを構成する金属板や薄膜電極組成体を組み立てて機械的に封止を行なうまでの工程を効率よく行なえる燃料電池セルの製造方法を提供することができる。

本発明において、前記周縁領域をプレス曲げ加工により封止する工程は、立ち曲げ部の全周が金属板の内側方向に向けて所定角度傾斜するような絞り加工を少なくとも１回行なう第１工程と、この所定角度傾斜された立ち曲げ部の全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込む第２工程とに分けて行ない、かつ、これら第１工程用の金型と第２工程用の金型が円周方向に沿って隣接配置されることが好ましい。

周縁領域の封止を行うに際して、絶縁層を介在させた状態で、第２金属板の周縁領域に倒しこむが、これを１工程で行うのではなく、少なくとも２工程で行う。すなわち、まず立ち曲げ部を内側に所定角度傾斜した状態となるまで絞り加工を行う。そして、その次に、この傾斜した状態の立ち曲げ部を第２金属板の周縁領域に倒し込む。これにより、絶縁層を介在させた状態で周縁領域をプレス曲げ加工により機械的に封止することができる。段階的に封止加工を行うことで、確実に立ち曲げ部を倒し込むことができる。これを１工程で行おうとすると、うまく倒れない可能性があり、封止状態の品質も低下するが、段階的に行うことで、確実に封止することができ、ガスのリーク等を防止することができる。その結果、機械的封止を確実に行いセル内部を確実に封止することができる。また、第１工程用の金型と第２工程用の金型を円周方向に沿って隣接配置しており、第１工程の後、直ちに第２工程を行なうことができ、プレス曲げ加工による封止工程を効率よく行なうことができる。

本発明において、前記絶縁層は、絶縁シートにより形成され、第１金属板及び／又は第２金属板の周縁領域に予め絶縁シートが付着されていることが好ましい。

絶縁シートを載置する工程を別途独立して設けてもよいが、予め金属板に絶縁シートを前記所定間隔で付着させておくことで、絶縁層を間に介在させる工程を省くことができ、製造工程を簡素化することができる。なお、絶縁シートの付着は接着等の適宜の方法により、行うことができる。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池セルの製造設備は、
板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でプレス曲げ加工により封止される燃料電池セルの製造設備において、
周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された第１金属板を金型上にセットする工程と、
立ち曲げ部が上方に向いた状態の第１金属板の上に薄膜電極組成体をセットする工程と、
この薄膜電極組成体の上に更に第２金属板をセットする工程と、
プレス曲げ加工により、立ち曲げ部全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域を封止する工程と、を少なくとも実施するための金型を円周方向に沿って工程毎に配置した金型設備と、
加工対象物を円周方向に沿って移動させながら、各工程を連続的に実施するための金型駆動設備とを備えたことを特徴とするものである。

この燃料電池セルの製造設備は、円周方向に沿って配置される金型設備とこれを駆動するための金型駆動設備により構成されている。かかる構成により、既に述べた通り、円周方向に沿って順次連続的に加工が行なわれ、所定の箇所から完成した燃料電池セルを取り出すように構成できる。その結果、セルを構成する金属板や薄膜電極組成体を組み立てて周縁領域を封止を行なうまでの工程を効率よく行なえる燃料電池セルの製造設備を提供することができる。

本発明において、前記周縁領域をプレス曲げ加工により封止する工程は、立ち曲げ部の全周が金属板の内側方向に向けて所定角度傾斜するような絞り加工を少なくとも１回行なうための第１金型と、この所定角度傾斜された立ち曲げ部の全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むための第２金型とにより行なわれ、かつ、これら第１金型と第２金型が円周方向に沿って隣接配置されることが好ましい。

これにより、既に述べた通り、周縁領域の封止を確実に行いセル内部を確実に封止することができる。また、第１工程用の金型と第２工程用の金型を円周方向に沿って隣接配置しており、第１工程の後、直ちに第２工程を行なうことができ、周縁領域の封止工程を効率よく行なうことができる。

本発明に係る燃料電池セルの製造方法及び製造設備の好適な実施形態を図面を用いて説明する。まず、製造対象となる燃料電池セルの構成を説明する。図１は、本発明の燃料電池セルのアノード側から見た外観斜視図であり、図２は同じくカソード側から見た外観斜視図である。図３は、図１，２に示す燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図４は、図１，２に示す燃料電池セルの縦断面図である。図５は、流路溝の形状を示す図である。

本発明の燃料電池セルは、各図に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極板２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。更に、カソード側電極板２の外側にカソード側金属板４（第２金属板に相当）が配置され、アノード側電極板３の外側にアノード側金属板５（第１金属板に相当）が配置される。

各金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａは、固体高分子電解質１及び電極板２，３を収容した後に、カシメ（プレス曲げ加工に相当）により封止される。また、説明の便宜上、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａ以外の領域を中央領域４ｂ，５ｂと称することにする。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極板２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用することが好ましい。

カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９（図５参照）が設けられている。

カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口孔４ｃが設けられている。開口孔４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口孔４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。カソード側金属板４の開口孔４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。本実施形態では、注入口５ｃと排出口５ｄとを流路溝９により接続しており、その流路溝９は、金属板５の幅方向に沿って周期的に折り返すジグザグ状に形成されている。流路溝９は、幅が太い横方向の溝９ａと幅が細い縦方向の溝９ｂとで構成され、幅方向両側にある横溝９ａと横溝９ａとを３本の縦溝９ｂで接続しており、縦溝９ｂの１本が何らかの原因で封鎖されたとしても、残りの縦溝９ｂにより流路溝９が完全に封鎖されることを防止している。流路密度、燃料電池セル積層時の積層密度、屈曲性などを考慮して、種々の形態の流路溝９を採用することができ、図５の形態に限定されるものではない。

なお、このような金属板５の流路溝９の一部を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。

金属板５に流路溝９を形成する方法としては、金属板に対してプレス加工（打ち出し加工）を行うことで形成することができる。すなわち、図３に示す金属板５において裏面側から打ち出し加工を行うことで、図４，５に示すように金属板５の裏面側に流路溝９を形成することができる。また、打ち出し加工により流路溝９を形成するので、図１に示すように金属板５の表面側には、流路溝９と同じ形状が表れる。流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

金属板４への開口孔４ｃの形成、金属板５への注入口５ｃ及び排出口５ｄの形成についても、プレス加工を利用して行われる。さらに、金属板４，５には、同じくプレス加工（打ち出し加工）を利用して、中央領域４ｂ，５ｂに凹部が形成される。この凹部は、図４に示すように、薄膜電極組成体１０を構成する電極板２，３を収容するための凹部である。従って、凹部の面積は、収容される電極板２，３の大きさに応じて加工される。

本発明では、金属板４，５の周縁領域４ａ，５ａは、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁シート（絶縁層に相当）を用いて行うが、固体高分子電解質１の周縁部１ａを介在させることで行うこともできる。

カソード側金属板４には、図３に示すようにリング状（額縁状）の絶縁シート１１が周縁領域４ａに配置される。絶縁シート１１の外側の縁は金属板４の縁とほぼ同じ大きさに設定され、内側の縁は、多数の開口孔４ｃが形成される領域（あるいは、電極板２の大きさより少し大きなサイズ）よりも少し大きなサイズに設定される。

アノード側金属板５にも、図１に示すようにリング状（額縁状）の絶縁シート１２が周縁領域５ａの表裏両面に配置される。この表裏両面の絶縁シート１２のサイズは同じである。絶縁シート１２の外側の縁は金属板５の縁とほぼ同じ大きさに設定され、内側の縁は、電極板３よりも少し大きなサイズに設定される。

固体高分子電解質１は、電極板２，３の大きさよりも少し大きくなっており、図４に示すように、電極板２，３から露出した状態にある周縁領域１ａが、絶縁シート１１，１２により挟持されるように組み立てられる。

すなわち、本発明では、カシメを行う際、電極板２，３よりも外側の領域にある固体高分子電解質１の周縁領域１ａを絶縁シート１１，１２を介して、周縁領域４ａ，５ａにより挟持した状態とする。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。また、金属板５の表面側にも絶縁シート１２が設けられており、カシメ封止した際に、絶縁性能を確実に確保した状態で封止することができる。

絶縁シート１１，１２としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁シート１１，１２は、金属板４，５を所定の形状に加工する前に、直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことができる。この点については、後述する。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図４に示すものが好ましい。つまり、一方のカソード側金属板４の周縁領域４ａを他方のアノード側金属板５の周縁領域５ａより大きくしておき、絶縁シート１１，１２を介在させつつ、カソード側金属板４の周縁領域４ａをアノード側金属板５の周縁領域５ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このようなカシメ封止を行うための製造方法及び製造設備については、後で詳細に説明する。

燃料電池を構成する場合、図１，２に示すような燃料電池セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

燃料電池として使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。

図１には、注入口５ｃにジョイント用のブース（金属製ピン）５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このブース５ｅに対して、金属パイプ１３を圧入して取り付けることができる。この金属パイプ１３に対して更に樹脂性パイプ１４挿入することで、ガス供給流路を形成することができる（図４参照）。排出口５ｄについても、同じ構成を採用している。

燃料電池セルを構成する部材である金属板４，５及び固体高分子電解質１は、矩形状に形成されているが、その四隅はＲ形状に形成されている。四隅にＲをつけることで後述するカシメ封止加工を行い易い形状にしている。

＜燃料電池セルの製造工程＞
次に、図１〜図５で説明した燃料電池セルの製造工程及び製造設備について説明する。図６は、燃料電池セルの製造工程の概略を示す図である。図６に示すように、カソード側金属板４を製造する工程、アノード側金属板５を製造する工程、薄膜電極組成体１０を製造する工程に分かれており、金属板４，５と薄膜電極組成体１が製造された後、これらを用いて燃料電池セルを組み立てる工程が行われる。

まず、カソード側金属板４とアノード側金属板５を製造するための順送金型設備の構成に付いて説明する。図７は、順送金型設備の構成を示す概念図である。この順送金型設備は、カソード側金属板４とアノード側金属板５の両方を加工することができ、そのため７つの金型が搬送経路に沿って配置されている。

各金属板４，５を加工するための原材料として、所定幅を有する長尺状金属板をロールに巻きつけた金属ロールを使用する。この金属ロールから長尺状金属板を引き出して順送金型設備に送り込み、必要な加工が施される。金属板４，５は、同じ幅の長尺状金属板が使用されるが、金属板４については、予め片面に絶縁シート１１が付着されているものを使用し、金属板５については、予め両面に絶縁シート１２が付着されているものを使用する。

図７に示す７つの金型は、所定間隔で配置されており、アノード側金属板５を製造する場合にのみ使用する金型（第１，２，３，６金型）と、カソード側金属板４を製造する場合にのみ使用する金型（第４，７金型）と、両金属板４，５に対して共通に使用できる金型（第５金型）とを有している。従って、カソード側金属板４の製造を行う場合、第１，２，３，６金型は不作動となるように制御し、アノード側金属板５の製造を行う場合、第４，７金型が不作動になるように制御する金型制御部が設けられる。

以上のように構成すれば、カソード側金属板４とアノード側金属板５とで別々の順送金型設備を設ける必要はないので、設備費を安価にすることができる。

次に、具体的な加工内容について説明する。図８は、カソード側金属板４を順送金型設備により加工していく様子を示す平面図、図９は、アノード側金属板５を順送金型設備により加工していく様子を示す平面図である。図１０は、カソード側金属板４を順送金型設備により加工していく様子を示す断面図、図１１は、アノード側金属板５を順送金型設備により加工していく様子を示す断面図である。

最初にカソード側金属板４を製造する工程を具体的に説明する。図８において、金属ロールから引き出された長尺状金属板５０は、所定幅を有すると共に、所定間隔ごとに位置決め用孔５０ａが幅方向両側に予め形成されている。また、絶縁シート１１も予め所定間隔ごとに貼り付けられている。絶縁シート１１を貼り付ける場合は、位置決め用孔５０ａを基準として貼り付けることができる。長尺状金属板５０は、図８の左側から右側へと搬送される。

図８に示すように、まず最初に多数の孔４ｃをプレス穴あけにより形成する（Ｓ１）。この段階での断面形状は図１０（ｂ）に示される。これは第４金型により行われる。次に、電極板２を収容するための凹部４ｇ打ち出し加工が行われる（Ｓ２）。この段階での断面形状は図１０（ｃ）に示される。これは第５金型により行われる。次に、金属板４の外形を打ち抜くための加工が行われる（Ｓ３）。この段階での断面形状は図１０（ｄ）に示される。これは第７金型により行われる。打ち抜き後の長さがＬ２で示される。

長尺状金属板５０の動きとしては、搬送方向に対して間歇的に移動し、金型による所定の加工が行われると、金型が配列されている所定間隔の分だけ搬送される。金型の動作としては、図８に示すＳ１，Ｓ２，Ｓ３の加工は同時に行われる。すなわち、搬送方向の下流側に行くほど加工が進んでいることになる。この点は、アノード側金属板５を加工する場合も同じである。

次にアノード側金属板５を製造する工程を具体的に説明する。図９において、金属ロールから引き出された長尺状金属板５１は、所定幅を有すると共に、所定間隔ごとに位置決め用孔５１ａが幅方向両側に予め形成されている。また、絶縁シート１２も予め所定間隔ごとに表裏両面に貼り付けられている。絶縁シート１２を貼り付ける場合は、位置決め用孔５１ａを基準として貼り付けることができる。

図９に示すように、まず最初に流路溝９の打ち出し加工（第１段階）を行う（Ｓ１１）。これは第１金型により行われる。この第１段階では、流路溝９は完全には形成されておらず、溝深さは浅い状態である。次に、流路溝９の第２段階の打ち出し加工を行う（Ｓ１２）。これにより、流路溝９の加工が完了する。この段階での断面形状は図１１（ｂ）に示される。次に、ブースを取り付ける孔（注入口５ｃ及び排出口５ｄ）を形成するためのプレス穴あけ加工を行う（Ｓ１３）。これは第３金型により行われる。

次に、電極板３を収容するための凹部５ｇ打ち出し加工が行われる（Ｓ１４）。この段階での断面形状は図１１（ｃ）に示される。これは第５金型により行われる。次に、金属板５の外形を打ち抜くための加工が行われる（Ｓ１５）。この段階での断面形状は図１１（ｄ）に示される。これは第６金型により行われる。打ち抜き後の長さがＬ１で示される。

図７に示すように、アノード側金属板５の外形を打ち抜きした後に、図４（ｂ）で示すようなブースを取り付ける加工を行う。ブース５ｅは、注入口５ｃと排出口５ｄにカシメにより結合することができる。

また、カソード側金属板４の外形を打ち抜き加工した後に、図１２に示すような周縁領域４ａを９０゜内側に立ち曲げるための絞り加工が行われる。図１２（ｂ）に絞り加工を行った後の斜視図を示すが、周縁領域４ａの全周に立ち曲げ部が形成される。このような立ち曲げ部を形成することで、カシメ封止加工を行いやすくすることができる。

＜製造設備（ターンテーブル）の構成＞
次に、燃料電池セルを組み立てていくときの具体的な製造設備を説明する。図１３は、製造設備の構成を示す概念図である。燃料電池セルを組み立て完成するまでの工程は全部で６工程であり、各工程のために６つのエリアＲ１，Ｒ２，・・・Ｒ６が６０゜毎に設定されている。各エリアＲに対応するように、６つの下型Ｎ１，Ｎ２，・・・Ｎ６が設けられている。これらの下型Ｎは、ターンテーブルＴの形式になっており、下型駆動部５０により、回転駆動される。各下型Ｎは、いずれも同じ金型構成を備えており、下型駆動部６０により、図１３の反時計方向に間歇的に駆動される。

各エリアＲにおける処理内容について説明する。第１エリアＲ１においては、カソード側金属板４が第１金属板供給部５３により供給される。カソード側金属板４については、既に説明したように図７に示すような工程を介して製造され、第１金属板供給部５３に収容される。第１金属板供給部５３は、例えば、カソード側金属板４を上下方向に積層するためのスペースが設けられ、順次不図示のフィーダーにより第１エリアＲ１に待機する下型Ｎ１にカソード側金属板４をセットする。

第２エリアＲ２においては、カソード側金属板４の立ち曲げ部の内側に薄膜電極組成体１０をセットする。薄膜電極組成体１０は、カソード側金属板４の中央領域４ｂの上に載せられる形となる。薄膜電極組成体１０は、ＭＥＡ供給部５４により順次供給されるように構成される。

第３エリアＲ３においては、薄膜電極組成体１０の上に更にアノード側金属板５を載せる。アノード側金属板５は、第２金属板供給部５５により供給され、第２金属板供給部５５の構成に関しては、第１金属板供給部５３と同じとすることができる。

第４エリアＲ４と第５エリアＲ５においては、上型Ｍ１，Ｍ２（絞り加工を行なうための第１金型と第２金型に相当）が設けられ、カソード側金属板４の立ち曲げ部（周縁領域４ａ）を内側に倒し込んでカシメ封止を行なう。第４エリアＲ４においては、第１段階のカシメ工程が行なわれ、立ち曲げ部を４５゜内側に倒し込む。第５エリアＲ５においては、４５゜内側に倒し込まれた立ち曲げ部を９０゜まで倒し込み、アノード側金属板５の周縁領域５ａと密着させて機械的な封止を完了する。このように、カシメ封止を２段階に分けて行なう。この点については、更に詳しく後述する。第６エリアＲ６においては、カシメ封止が完了した燃料電池セルを下型Ｎから取り出し、そのために取り出し部５６が設けられる。取り出し部５６には、カシメ封止が完成した燃料電池セルが適宜の形態で集積される。

上形駆動部６１は、カシメ封止を行なうための上型Ｍ１，Ｍ２の駆動を行なう。上型Ｍ１，Ｍ２は同時に上下動するように構成される。また、各下型Ｎの回転駆動と、上型Ｍ１，Ｍ２の上下駆動は、同期して行なわれるものであり、制御部６２により、上型駆動部６１と下型駆動部６２の駆動制御が行なわれる。

＜製造工程（セル組立工程）＞
次に、図１３に示すターンテーブル形式の製造設備を用いて、燃料電池セルを組み立てるまでの手順を図１４のフローチャート及び図１５〜図２０の断面図により説明する。

まず、図１５に示すように、第１エリアＲ１において、カソード側金属板４を下型Ｎの上にセットする。カソード側金属板４は周縁領域４ａが絞り加工により９０゜曲げられており、立ち曲げ部が予め形成されている。金型２０には、凹部２０ａが形成されており、カソード側金属板４の立ち曲げ部の外側がちょうど嵌合して位置決めされるように構成されている。また、カソード側金属板４の周縁領域４ａには、予め絶縁シート１１が貼り付けらえており、立ち曲げ部の内側に絶縁シート１１が貼り付けられた状態となっている。金型２０の中央部には吸引孔２０ｂが設けられており、吸引機構５７により、カソード側金属板４を金型２０の凹部２０ａ内に吸引する。これにより、カソード側金属板４を金型２０に対して確実にセットした状態とすることができる。なお、吸引孔２０ａの大きさや個数は燃料電池セルの大きさに応じて適宜設定することができる。図１５に示す金型２０は、図１３に示す６箇所とも同じ構成となっている。

第１エリアＲ１において、カソード側金属板４のセットが完了すると、ターンテーブルを６０゜回転させ、第２エリアＲ２へと移動させる。ここで、カソード側金属板４の立ち曲げ部の内側に、図１６に示すように、薄膜電極組成体１０（ＭＥＡ）をセットする。薄膜電極組成体１０の外形寸法は、ちょうど立ち曲げ部の内側に嵌まり込むような寸法となっており、薄膜電極組成体１０がカソード側金属板４に対して位置決めされる。また、第２エリアＲ２において薄膜電極組成体１０がセットされるのと同時に、第１エリアＲ１において次のカソード側金属板４がセットされる。

第２エリアＲ２において、薄膜電極組成体１０のセットが完了すると、ターンテーブルＴを６０゜回転させ、第３エリアＲ３へと移動させる。ここで、薄膜電極組成体１０の上に、図１７に示すようにアノード側金属板５をセットする。アノード側金属板５には、予めブース５ｅが取り付けられていると共に、絶縁シート１２も予め貼り付けられている。アノード側金属板５は、ブース５ｅが上側で、かつ、絶縁シート１２が薄膜電極組成体１０側となるようにセットされる。このとき、薄膜電極組成体１０の電極板２が金属板４の凹部４ｇに収容され、電極板３が金属板５の凹部５ｇに収容される状態になる。アノード側金属板５の外形寸法は、立ち曲げ部の内側にちょうど嵌まり込むような寸法となっており、アノード側金属板５がカソード側金属板４に対して位置決めされる。上下の絶縁シート１１，１２により、薄膜電極組成体１０の周縁領域１ａが挟持される形となっており、確実に絶縁を行なうことができる。

第３エリアＲ３においてアノード側金属板５がセットされると、ターンテーブルＴを６０゜回転させて、第４エリアＲ４に移動する。この状態を図１８に示す。第４エリアＲ４では第１段階のカシメ工程（外形４５゜絞り加工）を行なうものであり、そのための第１上型３１と第２上型３２からなる上型Ｍ１が設けられている。第１上型３１には、金属板５にカシメ結合されているブース５ｅを逃げるための凹部３１ａと、流路溝９の形成に伴う金属板５の表面の突出部を逃げるための凹部３１ｂが設けられている。

第３エリアＲ３においてアノード側金属板５がセットされているときに、第２エリアＲ２においては次の加工品に対して薄膜電極組成体１０がセットされ、第１エリアＲ１においては、更に次の加工対象品であるカソード側金属板４がセットされる。以下同様にして、加工対象品がセットされていくことになる。

図１８の状態から上型Ｍ１を作動させた状態を図１９に示す。第２上型３２は、図１８，１９に示すように水平面に対して４５゜の傾斜面３２ｃを備えている。この傾斜面３２ｃを作用させることで、９０゜に立ち曲げられた周縁領域４ａを一旦４５゜に絞り加工する。

上型駆動部５１を駆動することで、第１・第２上型３１，３２が下方に降りてくる。これにより、周縁領域４ａが４５゜内側に曲げられ、絞り加工される。また、４５゜絞り加工を行なうときに、第１上型３１の凹部３１ｂが金属板５の上面を押圧（当接）している。これにより、燃料電池セルの中央領域４ｂ，５ｂが変形するのを抑制することができる。

４５゜の角度の設定は、４５゜±５゜が好ましく、４５゜±１゜がより好ましい。５０゜を超えると０゜絞り加工を行う時に、うまく内側に立ち曲げ部が倒れない可能性がある。例えば、座屈のような現象が生じてうまくつぶれない可能性があり、カシメ封止の品質が低下し、ガスリークなどの問題が生じる。また、４０゜よりも小さいと、一度に４０゜よりも小さくする際にうまく内側に立ち曲げ部が倒れにくくなるので好ましくない。

以上のように４５゜の絞り加工が行われた後、ターンテーブルＴを６０゜回転させて、第４エリアＲ４から第５エリアＲ５へと移動させる。第５エリアＲ５にも第１上型３３と第２上型３４からなる上型Ｍ２が設けられている。この上型Ｍ２は、カソード側金属板４の外形０゜絞り加工を行うものであり、第１段階で４５゜内側に曲げられた部分を更に内側に絞り加工を行なう。これにより、カシメ加工が終了し、セルの周縁領域４ａ，５ａは機械的に封止される。

外形０゜絞り加工で使用する金型は、４５゜絞り加工とは異なる金型を使用し、図２０に示すように、第２上型３４のプレス面３４ａは水平面に形成される。従って、前工程で４５゜に曲げられた周縁領域５ａを更に押さえ込んで内側に倒す形になる。これにより、周縁領域４ａは水平な状態に１８０゜折り曲げられた状態になる。これにより、周縁領域４ａ，５ａがカシメにより封止されたことになる。また、周縁領域４ａと周縁領域５ａの間には、絶縁層として絶縁シート１１，１２が介在しており、金属板４，５同士の短絡を防止した状態で封止される。

以上のようにカシメ封止工程が終了すると、ターンテーブルＴを６０゜回転させ、カシメ封止された燃料電池セルを第５エリアＲ５から第６エリアＲ６へと移動させる。金型から燃料電池セルを取り出すためには、吸引孔２０ｂからエアーを吹き込むことで、燃料電池セルを金型から離脱させ取り出すことができる。

以上説明したように、カシメ封止を行うための工程が行われる。特に、図１２で形成した９０゜の立ち曲げ部を内側に倒してつぶす場合に、一度に倒すのではなく、一旦４５゜に絞り加工した後に、０゜の絞り加工するようにしており、２段階でカシメ封止を行うようにしている。これを１段階で行おうとすると、立ち曲げ部がうまく倒れるかどうかの保証がなく、封止状態も悪くなるが、前述のように２段階で絞り加工を行うことで、確実に封止することができる。

燃料電池セルの製造設備はターンテーブルＴの形式で構成されており、円周方向に沿って配置される金型設備（下型Ｎ１〜Ｎ６及び上型Ｍ１，Ｍ２）とこれを駆動するための金型駆動設備（下型駆動部６０、上型駆動部６１、制御部６２）により構成されている。かかる構成により、既に述べた通り、円周方向に沿って順次連続的にカシメ封止のための加工が行なわれ、取り出し部５６から完成した燃料電池セルを取り出すように構成できる。その結果、燃料電池セルを構成する金属板４，５や薄膜電極組成体１０を組み立てて周縁領域４ａ，５ａを封止を行なうまでの工程を効率よく行なうことができる。

＜別実施形態＞
燃料電池セルの構成は図１，２に示す構造のものに限定されるものではない。例えば、カソード側金属板４は空気を取り込むための開口孔４ｃを多数有する形状をしているが、カソード側金属板４をアノード側金属板５と同様の形状に形成してもよい。また、カソード側金属板４に形成する開口孔４ｃの大きさ、個数、形状等は適宜決めることができる。

本実施形態では、アノード側金属板５に形成する流路溝９を２回に分けてプレス加工にしているが、１回もしくは３回以上の段階的加工により形成してもよい。

本実施形態ではカシメ封止工程における金属板の絞り加工は、所定傾斜角度を４５゜に設定し、次に０゜絞り加工を行っている。すなわち、２段階でカシメ封止を行うが、これを３段階以上としてもよい。例えば、６０゜→３０゜→０゜に設定することができる。もちろん、この角度以外でも良い。また、４段階以上の多段階に設定してもよい。

本実施形態の組立工程では、薄膜電極組成体１０の形に組み立てた後に、金型にセットするようにしているが、金型にセットする際に、カソード側電極板２、固体高分子電解質１、アノード側電極板３の順番に積層する形でセットしてもよい。

本実施形態では、カソード側金属板４の周縁領域４ａを折り曲げてカシメ封止しているが、アノード側金属板５の周縁領域５ａを折り曲げてカシメ封止してもよい。

本実施形態ではカシメ工程が終了した後に完成品としての燃料電池セルを取り出しているが、更に安全を期すためリング押さえ加工を行ってもよい。この加工は、カシメ封止された周縁領域４ａ，５ａの少し内側の領域をプレスで押圧する工程であり、これにより、封止状態をより確実にすることができる。金型は図示しないが、リング状に形成された突起部を備えさせ、これら突起部を用いて周縁領域４ａ，５ａのすぐ内側をリング状に押える。これにより、よりカシメ封止を確実にすることができる。

本実施形態におけるターンテーブルＴは全部で６工程であるがこれに限定されるものではない。例えば、カシメ封止を２段階以上で行なうのであれば、更に工程が増えることになる。また、前述のリング押さえ加工を行うのであれば、更に工程数が増えることになる。

本発明に係る燃料電池セルの構成を示す外観斜視図（アノード側） 本発明に係る燃料電池セルの構成を示す外観斜視図（カソード側） 本発明の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図 本発明の燃料電池セルの一例を示す縦断面図 図３の燃料電池セルの流路溝を示す図 燃料電池セルの製造工程の概略を示す図 順送金型設備の構成を示す概念図 カソード側金属板の製造工程を示す平面図 アノード側金属板の製造工程を示す平面図 カソード側金属板の製造工程を示す断面図 アノード側金属板の製造工程を示す断面図 カソード側金属板の周縁領域に立ち曲げ部の絞り加工を示す図 燃料電池セルの組立を行なうためのターンテーブルの構成を示す図 燃料電池セルの組立工程のフローチャート カソード側金属板を金型にセットした状態を示す図 更に薄膜電極組成体を金型にセットした状態を示す図 更にアノード側金属板を金型にセットした状態を示す図 カシメ封止を行なう前の状態を示す図 第１段階のカシメ封止工程（４５゜絞り加工）を行なった状態を示す図 第２段階のカシメ封止工程（０゜絞り加工）を行なった状態を示す図

符号の説明

１ 固体高分子電解質
１ａ 周縁領域
２ カソード側電極板
３ アノード側電極板
４ カソード側金属板（第２金属板）
４ａ 周縁領域
４ｂ 中央領域
５ アノード側金属板（第１金属板）
５ａ 周縁領域
５ｂ 中央領域
５ｃ 注入口
５ｄ 排出口
５ｅ ブース
１０ 薄膜電極組成体
１１，１２ 絶縁シート
２０ 金型
５３ 第１金属板供給部
５４ ＭＥＡ供給部
５５ 第２金属板供給部
５６ 取り出し部
６０ 下型駆動部
６１ 上型駆動部
６２ 制御部
Ｒ１〜Ｒ６ エリア
Ｎ１〜Ｎ６ 下型
Ｍ１，Ｍ２ 上型
Ｔ ターンテーブル

Claims (5)

1. 板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でプレス曲げ加工により封止される燃料電池セルの製造方法において、
   周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された第１金属板を立ち曲げ部が上方に向いた状態で金型上にセットする工程と、
   第１金属板の立ち曲げ部の内側に薄膜電極組成体をセットする工程と、
   この薄膜電極組成体の上に更に第２金属板をセットする工程と、
   プレス曲げ加工により、立ち曲げ部全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域を封止する工程と、を少なくとも有し、
   これら各工程を実施するための金型を円周方向に沿って工程毎に配置し、加工対象物を円周方向に沿って移動させながら、各工程を連続的に実施することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
2. 前記周縁領域をプレス曲げ加工により封止する工程は、立ち曲げ部の全周が金属板の内側方向に向けて所定角度傾斜するような絞り加工を少なくとも１回行なう第１工程と、この所定角度傾斜された立ち曲げ部の全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込む第２工程とに分けて行ない、かつ、これら第１工程用の金型と第２工程用の金型が円周方向に沿って隣接配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
3. 前記絶縁層は、絶縁シートにより形成され、第１金属板及び／又は第２金属板の周縁領域に予め絶縁シートが付着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルの製造方法。
4. 板状の薄膜電極組成体と、この薄膜電極組成体の両側に配置された第１金属板及び第２金属板とを備え、これら第１・第２金属板の周縁領域が絶縁層を間に介在させた状態でプレス曲げ加工により封止される燃料電池セルの製造設備において、
   周縁領域全周に立ち曲げ部が形成された第１金属板を金型上にセットする工程と、
   立ち曲げ部が上方に向いた状態の第１金属板の上に薄膜電極組成体をセットする工程と、
   この薄膜電極組成体の上に更に第２金属板をセットする工程と、
   プレス曲げ加工により、立ち曲げ部全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むことで、周縁領域を封止する工程と、を少なくとも実施するための金型を円周方向に沿って工程毎に配置した金型設備と、
   加工対象物を円周方向に沿って移動させながら、各工程を連続的に実施するための金型駆動設備とを備えたことを特徴とする燃料電池セルの製造設備。
5. 前記周縁領域をプレス曲げ加工により封止する工程は、立ち曲げ部の全周が金属板の内側方向に向けて所定角度傾斜するような絞り加工を少なくとも１回行なうための第１金型と、この所定角度傾斜された立ち曲げ部の全周を第２金属板の周縁領域に対して倒し込むための第２金型とにより行なわれ、かつ、これら第１金型と第２金型が円周方向に沿って隣接配置されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルの製造設備。

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