JP2009004254A - Assembly method of fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely keep a desired fastening of load on a fuel cell stack as a whole and, to effectively block load omission, and to impart optimum surface pressure. <P>SOLUTION: This assembly method of a fuel cell stack includes a first process of imparting a set load not smaller than the power generation maximum load that acts on the fuel cell stack, in the stacking direction with respect to a stacked body in the stacking direction, when the fuel cell stack is actually operated; a second process of supplying pressure air to a reactive gas passage and a cooling medium passage in the stacked body; and a third process of imparting the load set to the inside of a casing, in a state where the stacked body is housed in the casing. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを有する複数の単位セルを積層した積層体が、ケーシング内に収容される燃料電池スタックの組み立て方法に関する。   The present invention relates to a method of assembling a fuel cell stack in which a laminate in which a plurality of unit cells each having an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte and a separator are housed in a casing is accommodated. .

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane with a separator.

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。   Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. In this fuel cell stack, the stacked fuel cells need to be reliably pressurized and held in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing performance of the reaction gas.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池積層体締め付け構造が知られている。この特許文献1では、図12に示すように、燃料電池積層体1が一組のエンドプレート2に挟持され、このエンドプレート2が、締め付けボルト4の締め付け作用下に締め付け板5により予め仮締めされている。   Thus, for example, a fuel cell stack tightening structure disclosed in Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, as shown in FIG. 12, the fuel cell stack 1 is sandwiched between a pair of end plates 2, and the end plates 2 are temporarily tightened in advance by a tightening plate 5 under the tightening action of tightening bolts 4. Has been.

燃料電池積層体1は、圧力容器8に装着されている。この圧力容器8では、燃料電池積層体1は、積層方向を鉛直方向に向けて一方の締め付け板5を圧力容器底架台6に載せるとともに、加圧板7が他方の締め付け板5に配置されている。燃料電池積層体1には、アクチュエータ9を介して加圧板7から圧力が付与されるとともに、前記燃料電池積層体1の高さ減少が圧力容器8の外部に設けられたダイヤルゲージGにより検出されている。   The fuel cell stack 1 is attached to a pressure vessel 8. In this pressure vessel 8, the fuel cell stack 1 has one clamping plate 5 placed on the pressure vessel bottom base 6 with the stacking direction oriented in the vertical direction, and the pressure plate 7 is disposed on the other clamping plate 5. . Pressure is applied to the fuel cell stack 1 from the pressure plate 7 via the actuator 9, and a decrease in the height of the fuel cell stack 1 is detected by a dial gauge G provided outside the pressure vessel 8. ing.

特開昭58−93173号公報JP 58-93173 A

しかしながら、上記の特許文献1では、アクチュエータ9の作用下に加圧板7を介して燃料電池積層体1に所定の締め付け荷重を付与し、締め付けボルト4を締め付けて燃料電池スタックを組み付けた後に、前記燃料電池積層体1を構成するセパレータの厚さ、シール部材の厚さ及び電解質膜の厚さ等が前記締め付け荷重によって変化し易い。   However, in Patent Document 1 described above, after applying a predetermined tightening load to the fuel cell stack 1 via the pressure plate 7 under the action of the actuator 9 and tightening the tightening bolt 4 to assemble the fuel cell stack, The thickness of the separator constituting the fuel cell stack 1, the thickness of the seal member, the thickness of the electrolyte membrane, and the like are easily changed by the tightening load.

例えば、燃料電池積層体1にプレス荷重を付与した状態で放置すると、時間の経過に伴ってプレス荷重、すなわち、締め付け荷重が減少する、所謂、荷重抜けが発生してしまう。この荷重抜けは、実際上、数十%になる場合があり、燃料電池積層体1全体の寸法が安定するまで、比較的長時間にわたって前記燃料電池積層体1を加圧した状態で放置する必要がある。これにより、燃料電池スタックの組立時間が相当に長時間となってしまい、生産性が著しく低下するという問題が指摘されている。   For example, if the fuel cell stack 1 is left in a state where a press load is applied, the press load, that is, the tightening load decreases with time, so-called load loss occurs. This load loss may actually be several tens of percent, and it is necessary to leave the fuel cell stack 1 under pressure for a relatively long time until the overall dimensions of the fuel cell stack 1 are stabilized. There is. As a result, it has been pointed out that the assembly time of the fuel cell stack becomes considerably long and the productivity is remarkably lowered.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体を所望の締め付け荷重に確実に保持することができ、荷重抜けを有効に阻止するとともに、最適な面圧を付与することが可能な燃料電池スタックの組み立て方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can reliably hold the entire fuel cell stack at a desired tightening load, effectively preventing load loss and applying an optimum surface pressure. It is an object to provide a method for assembling a possible fuel cell stack.

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを有する複数の単位セルを積層した積層体が、ケーシング内に収容される燃料電池スタックの組み立て方法に関するものである。   The present invention relates to a method of assembling a fuel cell stack in which a laminate in which a plurality of unit cells each having an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte and a separator are housed in a casing is accommodated. Is.

この組み立て方法は、燃料電池スタックが実際に運転される際、積層方向に作用する発電最大荷重以上の設定荷重を、積層体に対して前記積層方向に付与する第1の工程と、前記積層体内の反応ガス流路及び冷却媒体流路に、圧力流体を供給する第2の工程と、ケーシングを組み立てた状態で、前記ケーシング内に前記設定荷重を付与する第3の工程とを有している。   This assembly method includes a first step of applying a set load that is equal to or greater than a maximum power generation load acting in the stacking direction to the stack in the stacking direction when the fuel cell stack is actually operated; A second step of supplying a pressure fluid to the reaction gas passage and the cooling medium passage, and a third step of applying the set load in the casing in a state where the casing is assembled. .

また、第1の工程では、積層体への設定荷重の付与を複数回だけ繰り返すことが好ましい。   Moreover, in the first step, it is preferable to repeat the application of the set load to the laminate only a plurality of times.

さらに、第3の工程では、ケーシングを構成し積層体の側部に配置されるサイドパネルの歪みを検出することにより、燃料電池スタックに積層方向に付与される締め付け荷重を確認することが好ましい。   Further, in the third step, it is preferable to confirm the tightening load applied to the fuel cell stack in the stacking direction by detecting the distortion of the side panel that constitutes the casing and is disposed on the side of the stack.

さらにまた、第3の工程では、第1の工程及び第2の工程が終了した積層体を、ケーシング内に収容した状態で、前記ケーシング内で前記積層体に対して設定荷重を付与することが好ましい。   Furthermore, in the third step, a set load may be applied to the laminate in the casing in a state in which the laminate after the first step and the second step are accommodated in the casing. preferable.

また、ケーシング内に、所定数の前記単位セルに代えて設定荷重付与機構を配置し、前記設定荷重付与機構により積層体に対して設定荷重を付与することが好ましい。   Further, it is preferable that a set load application mechanism is disposed in the casing instead of a predetermined number of the unit cells, and the set load is applied to the laminate by the set load application mechanism.

本発明では、積層体に対し、発電最大荷重以上の設定荷重が付与されて荷重抜けが阻止されるとともに、圧力流体が供給されてシールの分担荷重が調整されている。一方、ケーシングが組み立てられた状態で、前記ケーシング内に設定荷重が付与されている。このため、ケーシングが初期変形した後、燃料電池スタックの最終組み立てが行われている。これにより、荷重抜けを有効に阻止するとともに、ケーシング内の積層体に対して最適な面圧を確実に付与することができる。   In the present invention, a set load equal to or greater than the maximum power generation load is applied to the laminate to prevent the load from being lost, and the pressure fluid is supplied to adjust the shared load of the seal. On the other hand, a set load is applied in the casing in a state where the casing is assembled. For this reason, after the casing is initially deformed, the final assembly of the fuel cell stack is performed. Thereby, while being able to prevent load loss effectively, the optimal surface pressure can be reliably given with respect to the laminated body in a casing.

図1は、本発明の実施形態に係る組み立て方法が適用される燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。   FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack 10 to which an assembly method according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性スペーサ部材22(絶縁プレート18を用いてもよい)及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック10は、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング24により一体的に保持される。   The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of unit cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). A terminal plate 16a, an insulating plate 18 and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 toward the outside. At the other end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulating spacer member 22 (the insulating plate 18 may be used) and an end plate 20b are sequentially disposed outward. The fuel cell stack 10 is integrally held by a casing 24 including end plates 20a and 20b each having a rectangular shape as end plates.

図2及び図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, each unit cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 30, and a thin plate-shaped first and second sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. Second metal separators 32 and 34 are provided. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, a carbon separator may be used.

単位セル12の長辺方向(図3中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。   An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the unit cell 12 in the long side direction (the arrow B direction in FIG. 3). A communication hole 36a, a cooling medium supply communication hole 38a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

単位セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔36bが設けられる。   The other end edge in the long side direction of the unit cell 12 communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas supply communication hole 40a for supplying fuel gas, and a cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 38b and an oxidizing gas discharge communication hole 36b for discharging the oxidizing gas are provided.

電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 44 and a cathode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

アノード側電極44及びカソード側電極46は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜42の両面に形成される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are uniformly coated with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。   A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas supply communication hole 40 a and the fuel gas discharge communication hole 40 b is formed on the surface 32 a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 48 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction. On the surface 32b of the first metal separator 32, a cooling medium flow path 50 that connects the cooling medium supply communication hole 38a and the cooling medium discharge communication hole 38b is formed. The cooling medium flow path 50 is configured by a plurality of grooves extending in the arrow B direction.

第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。   The surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 52 composed of a plurality of grooves extending in the direction of arrow B, and this oxidant gas. The flow path 52 communicates with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b. A cooling medium flow path 50 is integrally formed on the surface 34 b of the second metal separator 34 so as to overlap the surface 32 b of the first metal separator 32.

第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端縁部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。   A first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral edge of the first metal separator 32. The first seal member 54 surrounds the fuel gas supply communication hole 40a, the fuel gas discharge communication hole 40b, and the fuel gas flow path 48 on the surface 32a so as to communicate with each other, and on the surface 32b, the cooling medium supply communication hole 38a, The medium discharge communication hole 38b and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated with each other.

第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。   A second seal member 56 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral edge of the second metal separator 34. The second seal member 56 surrounds and communicates the oxidant gas supply communication hole 36a, the oxidant gas discharge communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 52 on the surface 34a, while the cooling medium supply communication hole on the surface 34b. 38a, the cooling medium discharge communication hole 38b, and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated.

図2に示すように、第1及び第2シール部材54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が、直接、ケーシング24に接触することを阻止するために、シール57が介装される。   As shown in FIG. 2, a seal 57 is interposed between the first and second seal members 54 and 56 in order to prevent the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 42 from directly contacting the casing 24. Is done.

図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部58a、58bが形成される。端子部58a、58bには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。   As shown in FIG. 1, rod-shaped terminal portions 58a and 58b projecting in the stacking direction are formed at substantially the center portions of the terminal plates 16a and 16b. For example, a load such as a traveling motor is connected to the terminal portions 58a and 58b.

ケーシング24は、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板(サイドパネル)60a〜60dと、前記側板60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材(例えば、Lアングル)62a〜62dと、前記エンドプレート20a、20bと前記側板60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。側板60a〜60dは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。   The casing 24 includes end plates 20a and 20b which are end plates, a plurality of side plates (side panels) 60a to 60d arranged on the side of the laminated body 14, and end portions of the side plates 60a to 60d that are close to each other. Angle members (for example, L angles) 62a to 62d to be connected, and connecting pins 64a and 64b having different lengths for connecting the end plates 20a and 20b and the side plates 60a to 60d are provided. The side plates 60a to 60d are made of, for example, a thin metal plate.

エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つの第1連結部66a、66bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ1つの第1連結部66c、66dが突出形成される。第1連結部66a〜66dには、孔67a〜67dが貫通形成される。エンドプレート20a、20bの両側の各辺下端には、マウント用ボス部68a、68bが形成される。このボス部68a、68bが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック10を、例えば、車両に搭載する。   Two first connection portions 66a and 66b are formed to project from the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, respectively, and one first connection portion 66c and 66d is formed to project from each side of each side. The Holes 67a to 67d are formed through the first connecting portions 66a to 66d. Mount bosses 68a and 68b are formed at the lower ends of the respective sides of the end plates 20a and 20b. The boss portions 68a and 68b are fixed to a mounting portion (not shown) via a bolt or the like, so that the fuel cell stack 10 is mounted on, for example, a vehicle.

積層体14の矢印B方向両側に配置される側板60a、60cの長手方向(矢印A方向)両端には、第2連結部70a、70bが2つずつ形成される。積層体14の上下両側に配置される側板60b、60dの長手方向両端には、第2連結部72a、72bが3つずつ形成される。第2連結部70a、70bには、孔71a、71bが形成されるとともに、第2連結部72a、72bには、孔73a、73bが形成される。   Two second connecting portions 70a and 70b are formed at both ends in the longitudinal direction (arrow A direction) of the side plates 60a and 60c arranged on both sides in the arrow B direction of the laminate 14. Three second connecting portions 72a and 72b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 60b and 60d disposed on the upper and lower sides of the laminated body 14, respectively. Holes 71a and 71b are formed in the second connecting portions 70a and 70b, and holes 73a and 73b are formed in the second connecting portions 72a and 72b.

側板60a、60cの各第2連結部70a、70b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺の第1連結部66c、66dが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン64aが一体的に挿入されて第1ヒンジ構造75aが構成される。この第1ヒンジ構造75aにより、側板60a、60cがエンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Between the second connection portions 70a and 70b of the side plates 60a and 60c, first connection portions 66c and 66d on both sides of the end plates 20a and 20b are arranged, and a short connection pin 64a is integrally formed therewith. Inserted into the first hinge structure 75a. The side plates 60a and 60c are attached to the end plates 20a and 20b by the first hinge structure 75a.

同様に、側板60b、60dの第2連結部72a、72bがエンドプレート20a、20bの上辺及び下辺の第1連結部66a、66bと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン64bが一体的に挿入されて第2ヒンジ構造75bが構成される。この第2ヒンジ構造75bにより、側板60b、60dがエンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Similarly, the second connecting portions 72a and 72b of the side plates 60b and 60d are alternately arranged with the first connecting portions 66a and 66b on the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, and a long connecting pin 64b is provided on these. The second hinge structure 75b is configured by being integrally inserted. The side plates 60b and 60d are attached to the end plates 20a and 20b by the second hinge structure 75b.

側板60a〜60dには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔74が形成される一方、アングル部材62a〜62dの各辺には、前記ねじ孔74に対応して孔部76が形成される。各孔部76に挿入される各ねじ77がねじ孔74に螺合することにより、アングル部材62a〜62dを介して側板60a〜60d同士が固定される。これにより、ケーシング24が構成される(図4参照)。   The side plates 60a to 60d are formed with a plurality of screw holes 74 at both edges in the short direction, respectively, while the sides 76 of the angle members 62a to 62d are formed with holes 76 corresponding to the screw holes 74. Is done. When the screws 77 inserted into the holes 76 are screwed into the screw holes 74, the side plates 60a to 60d are fixed to each other via the angle members 62a to 62d. Thereby, the casing 24 is configured (see FIG. 4).

なお、アングル部材62a〜62dにねじ孔を形成する一方、側板60a〜60dに孔部を形成し、前記アングル部材62a〜62dを前記側板60a〜60dの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。   In addition, while forming screw holes in the angle members 62a to 62d and forming holes in the side plates 60a to 60d and arranging the angle members 62a to 62d inward of the side plates 60a to 60d, these are integrated. Alternatively, it may be screwed.

このように構成される燃料電池スタック10を組み立てる方法について、図5に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。   A method of assembling the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG.

先ず、図1に示すように、側板60a〜60dの各両面には、それぞれ積層方向(矢印A方向)の歪みを検出する2つの第1歪みゲージ80aと、前記積層方向に交差する方向の歪みを検出する2つの第2歪みゲージ80bとが、配置される。歪みの測定は、各2つの第1歪みゲージ80a及び第2歪みゲージ80bを用いた4アクティブゲージ法により行われる。側板60a〜60dの内側の面には、第1歪みゲージ80aと第2歪みゲージ80bとの間に位置して温度センサ82が配置される。   First, as shown in FIG. 1, two first strain gauges 80a for detecting strain in the stacking direction (arrow A direction) are provided on each side of the side plates 60a to 60d, and strain in a direction crossing the stacking direction. Two second strain gauges 80b that detect the above are disposed. The strain is measured by a 4-active gauge method using each of the first strain gauge 80a and the second strain gauge 80b. On the inner surfaces of the side plates 60a to 60d, a temperature sensor 82 is disposed between the first strain gauge 80a and the second strain gauge 80b.

そこで、燃料電池スタック10の各種設定が行われる(図5中、ステップS1)。具体的には、燃料電池スタック10全体の締め付け荷重P1が設定される。   Therefore, various settings of the fuel cell stack 10 are performed (step S1 in FIG. 5). Specifically, the tightening load P1 of the entire fuel cell stack 10 is set.

なお、締め付け荷重P1が設定されるとともに、第1及び第2シール部材54、56の分担荷重及び電解質膜・電極構造体30の分担荷重等も、予め設定される。   The tightening load P1 is set, and the shared load of the first and second seal members 54 and 56 and the shared load of the electrolyte membrane / electrode structure 30 are also set in advance.

次いで、複数の単位セル12が積層されて積層体14が得られるとともに、ステップS2に進んで、この積層体14の積層方向両端外方に配置されるエンドプレート20a、20b間には、発電最大荷重P2以上の設定荷重P3が付与される(図6参照)。ここで、発電最大荷重P2とは、燃料電池スタック10が実際に運転される際、発電による電解質膜・電極構造体30の膨潤による荷重上昇が最大面圧となる荷重をいう。   Next, a plurality of unit cells 12 are stacked to obtain a stacked body 14, and the process proceeds to step S <b> 2, and the maximum power generation is performed between the end plates 20 a and 20 b disposed outside both ends in the stacking direction of the stacked body 14. A set load P3 greater than the load P2 is applied (see FIG. 6). Here, the maximum power generation load P2 refers to a load at which a load increase due to swelling of the electrolyte membrane / electrode structure 30 due to power generation becomes a maximum surface pressure when the fuel cell stack 10 is actually operated.

このため、積層体14では、電解質膜・電極構造体30と、第1及び第2金属セパレータ32、34とが圧縮変形し、積層体14の積層方向の寸法(スタック寸法)が減少する。そして、積層体14に対する設定荷重P3の付与を一旦停止した後、再度、この設定荷重P3を付与する動作を複数回、例えば、3回だけ行う。   For this reason, in the laminate 14, the electrolyte membrane / electrode structure 30 and the first and second metal separators 32 and 34 are compressively deformed, and the dimension of the laminate 14 in the stacking direction (stack dimension) is reduced. Then, after temporarily stopping the application of the set load P3 to the laminate 14, the operation of applying the set load P3 is performed a plurality of times, for example, only three times.

これにより、積層体14全体の寸法の変化は、所定の範囲内に収束される。この状態では、積層体14に締め付け荷重P1を付与する際に、電極面圧のばらつきが所定の範囲内に抑えられる。   Thereby, the change of the dimension of the whole laminated body 14 is converged in the predetermined range. In this state, when the tightening load P <b> 1 is applied to the laminate 14, variations in the electrode surface pressure are suppressed within a predetermined range.

さらに、ステップS3に進んで、積層体14に対し、圧力流体の供給が行われる。具体的には、酸化剤ガス供給連通孔36aから酸化剤ガス流路52に圧力流体(例えば、圧力空気)が供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aから燃料ガス流路48には、圧力流体(例えば、圧力空気)が供給される。   Furthermore, it progresses to step S3 and supply of a pressure fluid is performed with respect to the laminated body 14. FIG. Specifically, a pressure fluid (for example, pressurized air) is supplied from the oxidant gas supply communication hole 36 a to the oxidant gas flow path 52, and a pressure is supplied from the fuel gas supply communication hole 40 a to the fuel gas flow path 48. A fluid (eg, pressurized air) is supplied.

このため、酸化剤ガス流路52及び燃料ガス流路48内の圧力が上昇し、第1及び第2シール部材54、56、電解質膜・電極構造体30並びに第1及び第2金属セパレータ32、34では、ストレスが除去される。   For this reason, the pressure in the oxidant gas flow path 52 and the fuel gas flow path 48 increases, and the first and second seal members 54 and 56, the electrolyte membrane / electrode structure 30, and the first and second metal separators 32, At 34, the stress is removed.

さらに、冷却媒体供給連通孔38aから冷却媒体流路50に圧力流体(例えば、圧力空気)が供給されることにより、第1及び第2シール部材54、56、電解質膜・電極構造体30並びに第1及び第2金属セパレータ32、34では、ストレスが除去される。   Further, by supplying a pressure fluid (for example, pressurized air) from the cooling medium supply communication hole 38 a to the cooling medium flow path 50, the first and second seal members 54 and 56, the electrolyte membrane / electrode structure 30, and the first In the first and second metal separators 32 and 34, the stress is removed.

これにより、圧力流体圧及び荷重変動を介して、図7に示すように、第1及び第2シール部材54、56の分担荷重及び電解質膜・電極構造体30の分担荷重が、良好に是正される。なお、図7中、スタック圧縮荷重P1´は、処理前初期荷重であり、スタック圧縮荷重(締め付け荷重)P1は、設定荷重である。また、図7中、点線が処理前である一方、実線が処理後である。   Thereby, as shown in FIG. 7, the shared load of the first and second seal members 54 and 56 and the shared load of the electrolyte membrane / electrode structure 30 are corrected appropriately through the pressure fluid pressure and the load fluctuation. The In FIG. 7, the stack compression load P1 ′ is an initial load before processing, and the stack compression load (tightening load) P1 is a set load. In FIG. 7, the dotted line is before processing, while the solid line is after processing.

上記のように、ステップS3が終了した積層体14は、ケーシング24内に収容され、この状態で、前記ケーシング24内に設定荷重P3が付与される(ステップS4)。   As described above, the laminated body 14 after step S3 is accommodated in the casing 24, and in this state, the set load P3 is applied to the casing 24 (step S4).

その際、図8に示すように、1以上の所定数の単位セル12に代えて、設定荷重付与機構90が配置される。設定荷重付与機構90は、可撓性容器92を備え、この可撓性容器92内には、加圧用液体を充填するためのキャビティ94が形成される。容器92には、キャビティ94に連通する配管96が設けられるとともに、この配管96は、図示しないが、ケーシング24に設けられる開口部や溝部から外部に取り出され、加圧液体供給部に接続される。なお、ケーシング24内には、設定荷重付与機構90により付与される荷重を検出するためのロードセンサ(図示せず)等を配置してもよい。   At that time, as shown in FIG. 8, a set load applying mechanism 90 is arranged instead of one or more predetermined number of unit cells 12. The set load applying mechanism 90 includes a flexible container 92, and a cavity 94 for filling the pressurizing liquid is formed in the flexible container 92. The container 92 is provided with a pipe 96 communicating with the cavity 94. Although not shown, the pipe 96 is taken out from an opening or a groove provided in the casing 24 and connected to the pressurized liquid supply unit. . In the casing 24, a load sensor (not shown) for detecting a load applied by the set load applying mechanism 90 may be disposed.

そこで、配管96を介して可撓性容器92のキャビティ94に流体が圧入されると、この可撓性容器92が矢印A方向に膨張する。このため、積層体14全体が矢印A方向に伸長し、ケーシング24には、矢印A方向の荷重が付与される。従って、ケーシング24には、それぞれのエンドプレート20a、20bを互いに離間する方向に押圧する荷重が付与され、側板60a〜60dに設けられている各歪みゲージ80a、80bは、前記側板60a〜60dの面方向の歪みを検出する。   Therefore, when fluid is pressed into the cavity 94 of the flexible container 92 through the pipe 96, the flexible container 92 expands in the direction of arrow A. For this reason, the entire laminated body 14 extends in the direction of arrow A, and a load in the direction of arrow A is applied to the casing 24. Therefore, a load is applied to the casing 24 to press the end plates 20a and 20b in a direction away from each other, and the strain gauges 80a and 80b provided on the side plates 60a to 60d are connected to the side plates 60a to 60d. Detect surface distortion.

上記の歪みゲージ80a、80bにより検出された歪みデータに基づいて、側板60a〜60dに付与される荷重(以下、パネル荷重ともいう)が検出される。そして、図9に示すように、パネル荷重が設定荷重P3になるまで、設定荷重付与機構90が制御されることにより、このパネル荷重の変動に伴う側板60a〜60dの寸法変化が検出される。   Based on the strain data detected by the strain gauges 80a and 80b, loads applied to the side plates 60a to 60d (hereinafter also referred to as panel loads) are detected. Then, as shown in FIG. 9, the set load application mechanism 90 is controlled until the panel load reaches the set load P3, whereby the dimensional changes of the side plates 60a to 60d due to the variation in the panel load are detected.

さらに、パネル荷重が設定荷重P3に至った後、このパネル荷重が減少される。その際、側板60a〜60dには、初期ならしによる変形が発生し、パネル寸法が変動する。   Further, after the panel load reaches the set load P3, the panel load is reduced. At that time, the side plates 60a to 60d are deformed by the initial leveling, and the panel dimensions vary.

一方、側板60a〜60dの内面側には、温度センサ82が装着されており、前記側板60a〜60dの温度が検出されている。従って、温度T1〜T3によるパネル荷重とパネル歪みとの関係は、図10に示すように校正されている。   On the other hand, a temperature sensor 82 is mounted on the inner surface side of the side plates 60a to 60d, and the temperature of the side plates 60a to 60d is detected. Therefore, the relationship between the panel load and the panel strain due to the temperatures T1 to T3 is calibrated as shown in FIG.

次いで、図11には、パネル(側板60a〜60d)の連結ピン間の距離L(パネル長さ)と、スタック圧縮荷重Pとの関係が示されている。これにより、パネルには、初期永久伸びによるパネル初期変形が惹起されている。   Next, FIG. 11 shows the relationship between the distance L (panel length) between the connecting pins of the panels (side plates 60a to 60d) and the stack compression load P. As a result, the panel is initially deformed by the initial permanent elongation.

上記のステップS4が終了した後、設定荷重付与機構90がケーシング24から取り出されるとともに、所定数の単位セル12がこのケーシング24内に戻される。これにより、燃料電池スタック10が組み付けられる。   After the above step S4 is completed, the set load applying mechanism 90 is removed from the casing 24, and a predetermined number of unit cells 12 are returned into the casing 24. Thereby, the fuel cell stack 10 is assembled.

上記のように、燃料電池スタック10が組み付けられた後、ステップS5に進んで、初期発電工程が行われる。この初期発電工程では、発電中に、温度、湿度及びガス圧によるスタック荷重の変動をモニタするとともに、発電最大荷重P2を確認する。そして、電解質膜・電極構造体30と第1及び第2シール部材54、56との荷重分担や、締め付け荷重P1及び設定荷重P3の調整が行われる。   As described above, after the fuel cell stack 10 is assembled, the process proceeds to step S5 and an initial power generation process is performed. In this initial power generation process, during power generation, the stack load variation due to temperature, humidity and gas pressure is monitored, and the power generation maximum load P2 is confirmed. Then, load sharing between the electrolyte membrane / electrode structure 30 and the first and second seal members 54 and 56 and adjustment of the tightening load P1 and the set load P3 are performed.

さらに、ステップS6に進んで、発電耐久の確認工程が行われる。具体的には、発電を連続して行いながら、発電時の締め付け荷重P1の低下、シール性及び抵抗過電圧により、電解質膜・電極構造体30と、第1及び第2シール部材54、56の荷重分担、締め付け荷重P1及び設定荷重P3の決定が行われる。   Furthermore, it progresses to step S6 and the power generation durability confirmation process is performed. Specifically, the load on the electrolyte membrane / electrode structure 30 and the first and second seal members 54 and 56 is reduced due to the decrease in the tightening load P1 during the power generation, the sealing property, and the resistance overvoltage while the power generation is continuously performed. The sharing, the tightening load P1 and the set load P3 are determined.

この場合、本実施形態では、積層体14に対し、発電最大荷重P2以上の設定荷重P3が付与されて荷重抜けが阻止されるとともに、燃料ガス流路48、冷却媒体流路50及び酸化剤ガス流路52には、圧力空気が供給されて第1及び第2シール部材54、56の分担荷重が調整されている。   In this case, in the present embodiment, a set load P3 equal to or greater than the maximum power generation load P2 is applied to the laminate 14 to prevent the load from being lost, and the fuel gas channel 48, the cooling medium channel 50, and the oxidant gas Pressure air is supplied to the flow path 52 to adjust the shared load of the first and second seal members 54 and 56.

次いで、積層体14がケーシング24内に収容された状態で、設定荷重付与機構90を介して前記ケーシング24内に設定荷重P3が付与されている。従って、ケーシング24は、初期変形が行われた後、燃料電池スタック10の最終組み立てが行われている。   Next, the set load P <b> 3 is applied to the casing 24 via the set load applying mechanism 90 in a state where the laminate 14 is accommodated in the casing 24. Therefore, after the initial deformation of the casing 24, the fuel cell stack 10 is finally assembled.

これにより、積層体14及びケーシング24は、発電時の荷重抜けを有効に阻止することができ、しかも、前記ケーシング24内の前記積層体14に対して最適な面圧を確実に付与することができるという効果が得られる。   Thereby, the laminated body 14 and the casing 24 can effectively prevent load loss during power generation, and can reliably apply an optimum surface pressure to the laminated body 14 in the casing 24. The effect that it can be obtained.

なお、本実施形態では、ケーシング24の初期変形処理を行う際に、このケーシング24内に設定荷重付与機構90を配置した積層体14が収容されているが、これに限定されるものではない。例えば、積層体14に対応する治具を用意し、この治具を設定荷重付与機構90又は他の設定荷重付与機構とともにケーシング24内に収容し、前記ケーシング24の初期変形処理を行ってもよい。その後、治具に代えて、積層体14をケーシング24内に収容すればよい。   In the present embodiment, when the initial deformation process of the casing 24 is performed, the laminated body 14 in which the set load applying mechanism 90 is disposed is accommodated in the casing 24, but the present invention is not limited to this. For example, a jig corresponding to the laminate 14 may be prepared, and the jig may be housed in the casing 24 together with the set load applying mechanism 90 or another set load applying mechanism, and the initial deformation process of the casing 24 may be performed. . Thereafter, the laminate 14 may be accommodated in the casing 24 instead of the jig.

次いで、燃料電池スタック10の動作について、説明する。   Next, the operation of the fuel cell stack 10 will be described.

この燃料電池スタック10では、先ず、図4に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔38aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。   In the fuel cell stack 10, first, as shown in FIG. 4, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 36a of the end plate 20a, and hydrogen is supplied to the fuel gas supply communication hole 40a. Fuel gas such as contained gas is supplied. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 38a. For this reason, in the stacked body 14, the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium are supplied in the arrow A direction to the plurality of unit cells 12 stacked in the arrow A direction.

図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。   As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 52 of the second metal separator 34 through the oxidant gas supply communication hole 36 a, and along the cathode side electrode 46 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Move. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 48 of the first metal separator 32 through the fuel gas supply communication hole 40 a and moves along the anode side electrode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.

従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 44 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極46に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔36bに沿って流動した後、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、アノード側電極44に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔40bに排出されて流動し、エンドプレート20aから外部に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 46 flows along the oxidant gas discharge communication hole 36b, and then is discharged to the outside from the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 44 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 40b, flows, and is discharged from the end plate 20a to the outside.

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動してエンドプレート20aから排出される。   The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling medium flow path 50 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium supply communication hole 38a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, and then moves through the cooling medium discharge communication hole 38b and is discharged from the end plate 20a.

本発明の実施形態に係る組み立て方法が適用される燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack to which an assembling method according to an embodiment of the present invention is applied. 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。It is a perspective view of the fuel cell stack. 前記組み立て方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said assembly method. スタック圧縮荷重とスタック寸法との関係図である。It is a related figure of stack compression load and stack size. スタック圧縮荷重と分担荷重との関係図である。It is a related figure of a stack compression load and a shared load. ケーシング内に設定荷重付与機構が配置された状態の一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view in the state where a setting load giving mechanism is arranged in a casing. パネル荷重とパネル寸法との関係図である。It is a related figure of a panel load and a panel dimension. 温度に対応するパネル荷重とパネル歪みとの関係図である。It is a related figure of the panel load corresponding to temperature, and panel distortion. パネル長さとスタック圧縮荷重との関係図である。It is a related figure of panel length and stack compression load. 特許文献1に開示されている燃料電池積層体締め付け構造の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell laminated body fastening structure currently disclosed by patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池スタック 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…スペーサ部材 24…ケーシング
30…電解質膜・電極構造体 32、34…金属セパレータ
42…固体高分子電解質膜 44…アノード側電極
46…カソード側電極 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 52…酸化剤ガス流路
54、56…シール部材 60a〜60d…側板
90…設定荷重付与機構 92…可撓性容器
94…キャビティ 96…配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Unit cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18 ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Spacer member 24 ... Casing 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Metal separator DESCRIPTION OF SYMBOLS 42 ... Solid polymer electrolyte membrane 44 ... Anode side electrode 46 ... Cathode side electrode 48 ... Fuel gas flow path 50 ... Cooling medium flow path 52 ... Oxidant gas flow path 54, 56 ... Seal member 60a-60d ... Side plate 90 ... Setting Load applying mechanism 92 ... flexible container 94 ... cavity 96 ... piping

Claims (5)

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する複数の単位セルを積層した積層体が、ケーシング内に収容される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記燃料電池スタックが実際に運転される際、積層方向に作用する発電最大荷重以上の設定荷重を、前記積層体に対して前記積層方向に付与する第1の工程と、
前記積層体内の反応ガス流路及び冷却媒体流路に、圧力流体を供給する第2の工程と、
前記ケーシングを組み立てた状態で、前記ケーシング内に前記設定荷重を付与する第3の工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
An assembly method of a fuel cell stack in which a laminated body in which a plurality of unit cells each having a separator and an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte is housed in a casing,
When the fuel cell stack is actually operated, a first step of applying a set load greater than or equal to the maximum power generation load acting in the stacking direction to the stack in the stacking direction;
A second step of supplying a pressure fluid to the reaction gas passage and the cooling medium passage in the laminate;
A third step of applying the set load in the casing in the assembled state of the casing;
A method for assembling a fuel cell stack, comprising:
請求項1記載の組み立て方法において、前記第1の工程では、前記積層体への前記設定荷重の付与を複数回だけ繰り返すことを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。   2. The method of assembling a fuel cell stack according to claim 1, wherein, in the first step, application of the set load to the stacked body is repeated a plurality of times. 請求項1記載の組み立て方法において、前記第3の工程では、前記ケーシングを構成し前記積層体の側部に配置されるサイドパネルの歪みを検出することにより、前記燃料電池スタックに前記積層方向に付与される締め付け荷重を確認することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。   2. The assembly method according to claim 1, wherein, in the third step, the fuel cell stack is arranged in the stacking direction by detecting distortion of a side panel that constitutes the casing and is disposed on a side portion of the stack. A method for assembling a fuel cell stack, wherein the applied tightening load is confirmed. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の組み立て方法において、前記第3の工程では、前記第1の工程及び第2の工程が終了した前記積層体を、前記ケーシング内に収容した状態で、前記ケーシング内で前記積層体に対して前記設定荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。   4. The assembly method according to claim 1, wherein in the third step, the laminated body in which the first step and the second step are finished is housed in the casing. A method for assembling a fuel cell stack, wherein the set load is applied to the stacked body in the casing. 請求項4記載の組み立て方法において、前記ケーシング内に、所定数の前記単位セルに代えて設定荷重付与機構を配置し、前記設定荷重付与機構により前記積層体に対して前記設定荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。   5. The assembly method according to claim 4, wherein a set load application mechanism is arranged in the casing instead of a predetermined number of the unit cells, and the set load is applied to the laminate by the set load application mechanism. A method of assembling a fuel cell stack characterized by the above.
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