JP2008210559A

JP2008210559A - 燃料電池のセル積層ズレ確認方法及び燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージ

Info

Publication number: JP2008210559A
Application number: JP2007043941A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Watanabe; 一裕渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP5196219B2

Abstract

【課題】セル積層体のセルの積層状態を容易に検査することができるセル積層体のセル積層ズレ確認方法及びセル積層体のセル積層ズレ確認用ゲージを提供すること。
【解決手段】セル２が積層されてなるセル積層体３のセル２の積層ズレを検出する確認方法において、セル２に設けられたピン孔４０に所定寸法のゲージ５０を挿入することでセル２の積層ズレを検出する。ゲージ５０の径寸法は、（ピン孔の孔径−ズレ公差）とすることができる。これにより、ゲージ５０を挿入することで、ズレ公差よりも大きい積層ズレを検出することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池のセル積層ズレ確認方法及び燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージに関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとからなるセルを積層して構成されている。セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、いわゆるセルスタックが形成される。

セルの積層精度が低い（セパレータの面方向にズレが生じている）と接触抵抗に影響を及ぼすため、管理を行なうことが重要である。従来においては、隣り合うセルの段差を外側からダイヤルゲージで測定したり、セル外周端面との接触の有無を検知したりしてセルのズレを検出ないしは確認している（例えば特許文献１〜５参照）。
特開２００６−１７２８１４号公報特開平９−１３４７３４号公報特開２００２−５６８８２号公報実開昭６０−１９２３７２号公報特開２００１−５７２２６号公報

しかしながら、セル積層枚数が多くなると測定回数も増加する。例えばセルが４００枚になると、４００箇所の測定が必要である。また、ズレをＸ方向とＹ方向の少なくとも２回測定し計算する必要がある。このため、隣り合った各セル間の積層ズレをすべて確認することは困難であり、抜き取りで代表ポイントのみ測定する場合もある。
さらに、近年、メタルプレスセパレータ等、セル厚が薄いものが開発されており、測定がますます困難となってきている。

上記事情に鑑み、本発明は、多数枚が積層されたセルの積層状態を容易に確認することができる燃料電池のセル積層ズレ確認方法及び燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、セル積層体を構成するセルの積層ズレを確認するための方法において、前記セルに設けられたピン孔に所定寸法のゲージを挿入することで前記セルの積層ズレを検出するものである。

積層状態にズレがなければ、ゲージを挿入することができる。積層ズレがある場合、ピン孔壁部が干渉してゲージの挿入が阻止される。これにより積層ズレがあることを確認することが可能となる。しかも、ゲージを利用して多数枚（例えば２００〜４００枚）が積層されたセルの積層状態を容易に確認することができる。

前記ゲージのうち径が最大である部位の径寸法は、（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）とすることができる。これにより、ゲージを挿入することで、ズレ公差よりも大きい積層ズレを検出することができる。

前記ゲージは、径寸法が（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）である大径部と、該大径部の少なくとも一端から軸方向に延在し、径寸法が（前記ピン孔の孔径−真直度公差）である細径部とを有し、該ゲージを前記ピン孔に挿入することにより、セルの積層ズレとともにセルの真直度を同時に検出するものであってもよい。これにより、積層ズレと真直度とを、ゲージを挿入することで同時に測定することができる。また、前記ゲージの前記径寸法が（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）である部位を、ゲージ軸方向に前記セルの３枚分の長さを有するものとすることにより、一つのセルとその上下のセルとのズレのみが検出され、真直度成分（うねりなど）を除いた「積層ズレ」のみを測定できる。

また、本発明のセル積層ズレ確認用ゲージは、セル積層体を構成するセルの積層ズレを確認するためのゲージにおいて、径が最大である部位の径寸法が、（前記セルに設けられたピン孔の孔径−ズレ公差）であり、前記ピン孔に挿入されることにより前記セルのずれが検出されるものである。

このように構成されたゲージをセルのピン孔に挿入すると、積層ズレが発生している場合、ピン孔壁部が干渉してゲージの挿入が阻止される。これにより積層ズレを検出することが可能となる。

前記ゲージは、径寸法が（前記セルに設けられたピン孔の孔径−ズレ公差）である大径部と、該大径部の少なくとも一端から軸方向に延在し、（前記ピン孔の孔径−真直度公差）の径である細径部とを有するものとすることができる。これにより、積層ズレと真直度とを、ゲージを挿入することで同時に測定することができる。

本発明によれば、セルに設けられたピン孔にゲージを挿入することで、多数枚が積層されたセルの積層状態を容易に確認することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図６に燃料電池のセル積層ズレ確認方法及び燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージの実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず燃料電池１の全体構成について説明し、続いてセル積層ずれ確認用ゲージと確認方法について説明する。

図１、図２に本実施形態にかかる燃料電池１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが特にこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

燃料電池１は、複数のセル（発電セル）２が積層されてなるセル積層体（セルスタック）３を備えているもので、当該セル積層体３の両端に位置する端セル２の積層方向外側には、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

セル２は、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と、この膜−電極アッセンブリを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは、例えば金属を基材とする導通体であり、各電極に空気等の酸化ガスおよび水素ガス等の燃料ガスを供給するための流体流路を有し、互いに隣接するセル２に供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たす。かかる構成により、セル２の膜−電極アッセンブリ内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには燃料電池冷却用の冷媒（例えば冷却水）を流すための流体流路が設けられている。

さらに、当該セパレータの例えば両端付近には、酸化ガス、燃料ガス、冷媒のそれぞれをセル積層方向に流すためのマニホールド（酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、冷媒マニホールド）が形成されている。本実施形態の燃料電池１において、各流体（酸化ガス、燃料ガス、冷媒）は当該燃料電池１の一端にあるエンドプレート７に設けられた各流体供給用の配管（図示せず）から入口側の各マニホールドに供給され、各セル２のセパレータに設けられた各流体流路を流れる。さらに、各流体は出口側の各マニホールドから燃料電池１の他端にあるエンドプレート７に設けられた各流体排出用の配管（図示せず）へと排出される。

断熱セル４は例えば２枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル２におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。また、このような断熱部材１０の周囲をシール部材で封止することによって空気層が形成される。さらに各流体のマニホールドはその周囲をシール部材で封止されて断熱層と区切られている。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

また、セル積層体３は拘束部材としてのテンションプレート８によって積層状態で拘束されている。テンションプレート８は両エンドプレート７，７間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図１参照）。テンションプレート８は、各エンドプレート７，７にボルト等で固定され、単セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このテンションプレート８の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート８の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。

セル積層体３の各セル２及びエンドプレート８には、長手方向の両側所定位置に、厚さ方向に貫通するピン孔４０が形成されている（図２）。これらのピン孔４０は、各セル２が正しい位置で積層された場合に、互いに重なり合ってセル積層体３全体を一直線上に貫通するように、同じ位置に形成されている。なお、ピン孔４０の設置個数は、本実施形態においては２箇所であるが、必要に応じて増減させてもよい。

図３に、本実施形態に係るセル積層体３の積層ズレ確認方法に使用可能なゲージ５０を示す。ゲージ５０は、十分に長い長さを持つ細径部５１と、細径部５１の一端に設けられ、セル２を３枚重ね合わせた厚み程度の長さを持つ大径部５２とを備える。大径部５２の径は、ピン孔４０の孔径からズレ公差を引いた差（ピン孔４０の孔径−ズレ公差）に相当する大きさである。例えば、孔径が１０ｍｍ（φ１０ｍｍ）で許容積層ズレが０．３ｍｍの場合、大径部５２の外径は（１０−０．３＝）９．７ｍｍである。細径部５１は、ゲージ５０をピン孔４０にスムーズに挿入可能な程度に大径部５２よりも十分に細い。

本実施形態のセル積層ズレ確認方法においては、このようなゲージ５０を用いて、ピン孔４０に大径部５２を挿入する。セル２の積層ズレが大きい場合には、その部位において大径部５２がピン孔４０を通過することができないため、各セル２の積層ズレが公差（本例では０．３ｍｍ）以内に収まっているか否かを検査して確認することができる。ゲージ５０を挿入するだけでＸ軸方向及びＹ軸方向のズレを同時に測定できるため、従来と比較して検査が容易となる。また、任意のセル２についてのみ実施する抜き出し検査ではなく、すべてのセル２について積層ズレを検査できるという利点を有する。さらに、セル厚に応じた大径部５２を有する種々のゲージ５０を予め用意し、測定対象に応じてゲージ５０を使い分けることにより、多数種のセル積層体３に関して測定が可能となる。
また、大径部５２の長さをセル２の３枚分程度の厚さ相当とした本実施形態の場合には、真直度成分（うねり等）を除いた「積層ズレ」のみを測定できる。ゲージ全体の径が（ピン孔４０の孔径−ズレ公差）であると、うねりがあった場合に積層ズレが規格内であってもゲージが通らない。本実施形態では、大径部５２がセル２の３枚分のずれを検出するため、真直度成分を除いて検査可能である。

このように、本実施形態のセル積層体３のセル積層ズレ確認方法及び該確認方法に使用可能なゲージによれば、セル２の積層ズレを容易に検査して確認することができ、セル積層体３の生産性を向上させることができる。

なお、変形例として、以下に示すゲージを採用してもよい。
図４に示したゲージ６０は、長手方向全体が均一の径（ピン孔４０の孔径−ズレ公差）を持つ。このゲージ６０により、セル積層体３の長手方向全体を貫通させる。これにより、セル２の積層ズレを検出することができる。ただし積層体にうねりがあると、実際の積層ズレ量に対してゲージが通りにくくなり過剰品質となり得るため、真直度成分を除いて検査する場合には、上記のゲージ５０または以下に示す変形例のゲージを用いることが好ましい。

図５に示したゲージ６５のように、（ピン孔の孔径−ズレ公差）の径を持つピンゲージ６６の上下に、ゲージ移動用ひも６７を設けてもよい。
また、図６に示したゲージ７０のように、大径部７１の上下両端から細径部７２が伸びる様にしてもよい。さらにまた、細径部７２の径を、（ピン孔径−真直度公差）とすることで、大径部７１により積層ズレを検出すると共に細径部７２により真直度を同時に検出することが可能となる。すなわち、セル２の積層にうねりがあった場合、細径部７２がピン孔４０の内壁に当接して挿入が阻止される。これにより規定以上のうねりを検出することができる。

なお、上記各実施形態における大径部５２，７１，ピンゲージ６６は３枚のセル厚に対応した寸法であるが、これに限るものではない。例えば３枚よりも多いセル厚に対応した寸法でもよい。しかしながら、３枚のセル厚に対応させることで、一つのセルと、このセルを両側から挟み込むセルの３枚のズレを検出することが可能である。
また、ピン孔４０は、本測定用に新たに設けてもよいが、従来からセル２に設けられている孔、例えばセル化時に使用する基準ピン孔等を兼用してもよい。
また、ピン孔４０と大径部５２、ゲージ６０等の形状が共に断面視正円であることにより、ゲージの軸周りの角度方向を考慮することなくピン孔４０に挿入することができるが、これに限定されるものではない。
また、スキミゲージの運用方法と同様に、ゲージを数種類持つことによって積層精度を大まかに測定することができる。

燃料電池のセル積層体の側面図である。セル積層体の斜視図である。本実施形態に係るセル積層体のセル積層ズレ確認方法に使用可能なゲージを示した図であり、ピン孔にゲージが挿入された状態を示したセル積層体の要部断面図である。ゲージの他の例について示した図である。ゲージの他の例について示した図である。ゲージの他の例について示した図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、４０…ピン孔、５０…ゲージ、５１…細径部、５２…大径部、６０…ゲージ、６５…ゲージ、７０…ゲージ、７１…大径部、７２…細径部

Claims

セル積層体を構成するセルの積層ズレを確認するための方法において、
前記セルに設けられたピン孔に所定寸法のゲージを挿入することで前記セルの積層ズレを検出する、燃料電池のセル積層ズレ確認方法。
前記ゲージのうち径が最大である部位の径寸法が（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）である、請求項１に記載の燃料電池のセル積層ズレ確認方法。
前記ゲージは、径寸法が（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）である大径部と、該大径部の少なくとも一端から軸方向に延在し、径寸法が（前記ピン孔の孔径−真直度公差）である細径部とを有し、該ゲージを前記ピン孔に挿入することにより、セルの積層ズレとともにセルの真直度を同時に検出する、請求項１または２に記載の燃料電池のセル積層ズレ確認方法。
前記ゲージの前記径寸法が（前記ピン孔の孔径−ズレ公差）である部位は、ゲージ軸方向に前記セルの３枚分の長さを有するものである、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池のセル積層ズレ確認方法。
セル積層体を構成するセルの積層ズレを確認するためのゲージにおいて、
径が最大である部位の径寸法が、（前記セルに設けられたピン孔の孔径−ズレ公差）であり、前記ピン孔に挿入されることにより前記セルのずれが検出される、燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージ。
前記ゲージは、径寸法が（前記セルに設けられたピン孔の孔径−ズレ公差）である大径部と、該大径部の少なくとも一端から軸方向に延在し、（前記ピン孔の孔径−真直度公差）の径である細径部とを有する、請求項５に記載の燃料電池のセル積層ズレ確認用ゲージ。