JP2010153174A - Assembly method for fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された燃料電池スタックの組み立て方法に関する。 The present invention includes a laminate in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies each provided with an electrode on both sides of an electrolyte are stacked with separators interposed therebetween, and a pair of end plates are arranged at both ends in the stacking direction of the laminate. The present invention relates to a method for assembling an installed fuel cell stack.
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)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)を、セパレータによって挟持して構成されている。この種の燃料電池は、所定数の電解質膜・電極構造体及びセパレータが積層された燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) (MEA) is sandwiched between separators. This type of fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators are laminated.
通常、燃料電池スタックには、積層方向に所望の締め付け荷重が付与されているが、長期間にわたって前記締め付け荷重が作用すると、前記燃料電池スタック内において、例えば、電解質膜・電極構造体のへたりが発生し易い。このため、燃料電池スタックの締め付け荷重及び電極荷重が低下し、接触抵抗が増大して端子電圧が低下するとともに、剛性が低下するという問題がある。 Normally, a desired tightening load is applied to the fuel cell stack in the stacking direction. However, when the tightening load is applied over a long period of time, for example, in the fuel cell stack, for example, an electrolyte membrane / electrode structure Is likely to occur. For this reason, there is a problem that the tightening load and electrode load of the fuel cell stack are reduced, the contact resistance is increased, the terminal voltage is lowered, and the rigidity is lowered.
そこで、燃料電池スタックの長さの変動を抑えるために、特許文献1に開示された燃料電池とその製造方法が知られている。この製造方法は、セルモジュールに少なくとも圧縮荷重を付与して初期クリープを進行させるエージング工程を有することを特徴としている。 Therefore, in order to suppress fluctuations in the length of the fuel cell stack, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 and a manufacturing method thereof are known. This manufacturing method is characterized by having an aging process in which at least a compressive load is applied to the cell module to advance the initial creep.
一般的に、燃料電池スタックの環境温度領域は、氷点下から常温(数10℃)まで、広範囲にわたっている。特に、−20℃以下の低温環境下では、電解質膜・電極構造体の乾燥により締め付け荷重が著しく低下することが知られている。 In general, the environmental temperature region of the fuel cell stack covers a wide range from below freezing to room temperature (several tens of degrees Celsius). In particular, under a low temperature environment of −20 ° C. or lower, it is known that the tightening load is significantly reduced by drying of the electrolyte membrane / electrode structure.
しかしながら、上記の特許文献1では、氷点下起動が考慮されておらず、燃料電池スタックの荷重抜けによる接触抵抗の増加が惹起されるとともに、剛性の低下による耐ずれ強度の低下が発生するという問題がある。 However, in the above-mentioned Patent Document 1, starting at below freezing point is not taken into consideration, and an increase in contact resistance due to load loss of the fuel cell stack is caused, and a problem that a shear strength is reduced due to a decrease in rigidity occurs. is there.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの利用環境領域にわたる荷重変動を考慮し、簡単な工程で、運転時の荷重抜けを可及的に阻止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, taking into account load fluctuations over the usage environment region of the fuel cell stack, and capable of preventing load loss during operation as much as possible with a simple process. An object is to provide a method for assembling a battery stack.
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に一組のエンドプレートが配設された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 includes a laminate in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies each provided with an electrode on both sides of an electrolyte are stacked with separators interposed therebetween, and a pair of end plates are arranged at both ends in the stacking direction of the laminate. The present invention relates to a method for assembling a provided fuel cell stack.
この組み立て方法は、一組のエンドプレートに対し、互いに近接する方向に所定の締め付け荷重を付与して燃料電池スタックを締め付ける締め付け工程と、前記燃料電池スタックを最大負荷で運転するとともに、最大負荷運転時の前記燃料電池スタックの第1締め付け荷重を検出する第1検出工程と、前記燃料電池スタックの運転を停止し、該燃料電池スタックを氷点下の温度に冷却した状態で、前記燃料電池スタックの第2締め付け荷重を検出する第2検出工程と、新たに組み立てられた燃料電池スタックに、前記第1締め付け荷重と前記第2締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重を付加する付加工程とを有し、前記燃料電池スタックの積層方向の全長の変化量が所定の範囲内になるまで、上記の付加工程を継続している。 This assembly method includes a tightening step of tightening the fuel cell stack by applying a predetermined tightening load to a set of end plates in directions close to each other, operating the fuel cell stack at maximum load, and operating at maximum load. A first detection step of detecting a first tightening load of the fuel cell stack at a time, and stopping the operation of the fuel cell stack and cooling the fuel cell stack to a temperature below freezing point. 2 a second detection step of detecting a tightening load, and an additional step of adding to the newly assembled fuel cell stack a tightening load that periodically varies between the first tightening load and the second tightening load; The above-described additional process is continued until the amount of change in the total length of the fuel cell stack in the stacking direction is within a predetermined range.
また、締め付け工程は、常温で行われることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a clamping process is performed at normal temperature.
さらに、氷点下の温度は、−20℃〜−30℃の範囲内に設定されることが好ましい。 Furthermore, the temperature below the freezing point is preferably set within a range of -20 ° C to -30 ° C.
本発明によれば、組み立てられた燃料電池スタックのエージングにおいて、最大負荷運転時の第1締め付け荷重と氷点下の温度時の第2締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重が、前記燃料電池スタックに付加されている。 According to the present invention, in the aging of the assembled fuel cell stack, the tightening load that periodically varies between the first tightening load at the maximum load operation and the second tightening load at the temperature below freezing point is the fuel. It is attached to the battery stack.
従って、燃料電池スタックには、低温起動を含む発電時の荷重変動を超える加圧変動が予め付与されるため、電解質膜・電極構造体のへたりによる運転時の荷重抜けを可及的に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池スタックの締め付け荷重と電極荷重とを良好に維持することができ、長期間にわたって接触抵抗の増加や剛性の低下を阻止し、良好な燃料電池スタックを確実に組み立てることが可能になる。 Therefore, the fuel cell stack is pre-applied with pressure fluctuations that exceed the load fluctuations during power generation, including low-temperature start-up, so that load loss during operation due to electrolyte membrane / electrode structure sag is minimized. It becomes possible to do. As a result, the tightening load and electrode load of the fuel cell stack can be maintained satisfactorily, and an increase in contact resistance and a decrease in rigidity can be prevented over a long period of time, and a good fuel cell stack can be reliably assembled. Become.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの組み立て方法を実施するための組み立て装置10の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an assembling
組み立て装置10は、燃料電池スタック12を積層方向(矢印A方向)が重力方向に向かうように配置した状態で、前記積層方向に締め付け荷重を付与する押圧機構(例えば、プレス機構)14と、前記燃料電池スタック12に付与される締め付け荷重を検出する圧力検出機構(例えば、ロードセル)16と、前記燃料電池スタック12の積層方向の変化量を検出する変位センサ17と、前記押圧機構14を制御するとともに、前記圧力検出機構16により検出された締め付け荷重及び前記変位センサ17により検出された変位量が送られるコントローラ18とを備える。
The assembling
燃料電池スタック12は、電解質膜(電解質)・電極構造体(MEA)20が、第1及び第2セパレータ22、24を介装して複数積層された積層体26を備え、前記積層体26の積層方向両端に一組のエンドプレート28が配設される。第1及び第2セパレータ22、24は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
The
図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体20と第1及び第2セパレータ22、24との間には、後述する連通孔の周囲及び電極面(発電面)の外周を覆って、ガスケット等のシール部材29が介装される。なお、第1及び第2セパレータ22、24に、シール部材29を一体成形してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, between the electrolyte membrane /
積層体26の矢印B方向(図2中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印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30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔32b、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34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
積層体26の矢印B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34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔32a、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30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the laminated
電解質膜・電極構造体20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36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38及びカソード側電極40とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極38及びカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜36の両面に形成されている。
The
第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体20側の面22aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路46が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔30bとに連通する。
The
第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体20側の面24aには、燃料ガス供給連通孔34aと燃料ガス排出連通孔34bとに連通する燃料ガス流路48が形成される。第2セパレータ24の面24bと第1セパレータ22の面22bとの間には、冷却媒体供給連通孔32aと冷却媒体排出連通孔32bとに連通する冷却媒体流路50が形成される。
A
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、本実施形態に係る組み立て方法との関連で、図3に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
The operation of the
先ず、電解質膜・電極構造体20の厚さと荷重変動(加圧幅又は最大面圧)との関係が、図4に示される。これにより、燃料電池スタック12の組み立て時に、電解質膜・電極構造体20に付与される荷重の変動が大きい程、前記電解質膜・電極構造体20の厚さが小さくなる。
First, the relationship between the thickness of the electrolyte membrane /
そして、図5に示すように、Tbで示されている荷重変動の大きな電解質膜・電極構造体20を有する燃料電池スタック12では、締め付け荷重が機能限界まで低下する耐久時間は、Taで示されている荷重変動の小さな電解質膜・電極構造体20を組み込む燃料電池スタック12に比べて長くなる。
As shown in FIG. 5, in the
従って、燃料電池スタック12の組み立て時に、電解質膜・電極構造体20に大きな荷重変動を負荷することにより、前記燃料電池スタック12の発電(起動)中の荷重変動による電解質膜・電極構造体20のへたりを抑制することが可能になる。
Accordingly, when the
そこで、本実施形態では、先ず、常温環境下で、電解質膜・電極構造体20が第1及び第2セパレータ22、24を介装して複数積層された積層体26を形成し、前記積層体26の積層方向両端に配設された1組のエンドプレート28間に所望の締め付け荷重が付与されることにより、燃料電池スタック12が締め付けられる(図3中、ステップS1)。
Therefore, in the present embodiment, first, a
次いで、ステップS2に進んで、燃料電池スタック12が最大負荷(定格負荷)で運転される。具体的には、図2に示すように、燃料ガス供給連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
Next, the process proceeds to step S2, and the
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔30aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路46に導入され、電解質膜・電極構造体20を構成するカソード側電極40に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔34aから第2セパレータ24の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体20を構成するアノード側電極38に沿って移動する。
The oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体20では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38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。
Accordingly, in each electrolyte membrane /
次いで、アノード側電極38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34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、カソード側電極40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30bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the fuel gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体供給連通孔32aに供給された冷却媒体は、第2セパレータ24の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体20を冷却した後、冷却媒体排出連通孔32bから排出される。
In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium
上記のように、燃料電池スタック12が最大負荷で運転を行っている際、前記燃料電池スタック12に作用する第1締め付け荷重T1が検出される(ステップS3)。次に、ステップS4に進み、燃料電池スタック12の運転が停止された後、前記燃料電池スタック12が冷却される。
As described above, when the
そして、燃料電池スタック12が氷点下、より具体的には、−20℃〜−30℃の範囲内に冷却されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、前記燃料電池スタック12に作用する第2締め付け荷重T2が検出される。
When the
ここで、燃料電池スタック12のスタック温度と電極荷重との関係が、図6に示されている。これにより、燃料電池スタック12のスタック温度が高くなると、すなわち、通常の発電環境下では、電解質膜・電極構造体20が膨潤して電極荷重(及びスタック荷重)が増加する。一方、低温環境下、特に、氷点下起動では、湿度が低下して電解質膜・電極構造体20が乾燥し、電極荷重(スタック荷重)が著しく低下する。
Here, the relationship between the stack temperature of the
このため、図7に示すように、燃料電池スタック12のスタック温度が低くなる程、荷重振幅幅が大きくなっている。本実施形態では、新たに組み付けられた燃料電池スタック12のエージングにおいて、氷点下温度域から最大負荷運転時の温度域にわたる広範な荷重幅が設定される。
For this reason, as shown in FIG. 7, the load amplitude width increases as the stack temperature of the
具体的には、図8に示すように、最大負荷運転時の第1締め付け荷重T1と氷点下時の第2締め付け荷重T2との間で周期的に変動する締め付け荷重(荷重幅)が設定される。すなわち、従来の常温起動時のスタック荷重T3よりも、さらに荷重幅の大きな低温起動時の第2締め付け荷重T2を考慮して、荷重エージングの荷重幅が設定される。 Specifically, as shown in FIG. 8, a tightening load (load width) that periodically varies between the first tightening load T1 at the maximum load operation and the second tightening load T2 at the freezing point is set. . In other words, the load width of the load aging is set in consideration of the second tightening load T2 at the time of low temperature startup, which is larger than the conventional stack load T3 at normal temperature startup.
次に、ステップS7に進んで、新たな燃料電池スタック12が締め付けられる。そして、新たな燃料電池スタック12に対し、最大負荷運転時の第1締め付け荷重T1と氷点下の温度時の第2締め付け荷重T2との間で周期的に変動する締め付け荷重が付加されて、荷重エージングが行われる(ステップS8)。
Next, it progresses to step S7 and the new
具体的には、新たに組み付けられた燃料電池スタック12は、図1に示す組み立て装置10に対し、一方のエンドプレート28を下側にして重力方向に配置される。さらに、コントローラ18を介して押圧機構14が駆動され、前記押圧機構14の押圧作用下に、1組のエンドプレート28間には、互いに近接する方向に締め付け荷重が付与される。
Specifically, the newly assembled
コントローラ18は、圧力検出機構16が第1締め付け荷重T1に至ったことを検出すると、押圧機構14による押圧力を減少させる制御を行う。次いで、コントローラ18は、圧力検出機構16が第2締め付け荷重T2を検出すると、再度、押圧機構14による押圧力を増加させる制御を行う。
When the
一方、変位センサ17は、燃料電池スタック12の積層方向全長の変化量を検出する。全長の変化量が所定の範囲内に至ったことが検出されると(ステップS9中、YES)、燃料電池スタック12の荷重エージングが終了する(ステップS10)。
On the other hand, the
荷重エージング後の燃料電池スタック12は、図示しないが、タイロッド等の締結手段によって1組のエンドプレート28間に所望の締結荷重が付与されて締結される。また、組み立て装置10には、新たに組み立てられた燃料電池スタック12が配置されて、上記の荷重エージング処理が行われる。
Although not shown, the
この場合、本実施形態では、新たに組み立てられた燃料電池スタック12の荷重エージングにおいて、最大負荷運転時の第1締め付け荷重T1と氷点下の温度時の第2締め付け荷重T2との間で周期的に変動する締め付け荷重が、前記燃料電池スタック12に付加されている。
In this case, in this embodiment, in the load aging of the newly assembled
従って、燃料電池スタック12には、低温起動を含む発電時の荷重変動を超える加圧変動が予め付与されるため、運転時に電解質膜・電極構造体20のへたりによる荷重抜けを可及的に抑制することができる。
Therefore, the
これにより、燃料電池スタック12の締め付け荷重と電極荷重とを良好に維持することができる。このため、長期間にわたって接触抵抗の増加や剛性の低下を阻止し、良好な燃料電池スタック12を確実に組み立てることが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the tightening load and electrode load of the
なお、第1締め付け荷重T1及び第2締め付け荷重T2は、全ての燃料電池スタック12で実際に検出する必要がなく、最初の燃料電池スタック12で検出された値を、以降の燃料電池スタック12の組み立て時に設定値として使用すればよい。
The first tightening load T1 and the second tightening load T2 do not need to be actually detected in all the fuel cell stacks 12, and the values detected in the first
10…組み立て装置 12…燃料電池スタック
14…押圧機構 16…圧力検出機構
17…変位センサ 18…コントローラ
20…電解質膜・電極構造体 22、24…セパレータ
26…積層体 28…エンドプレート
30a…酸化剤ガス供給連通孔 30b…酸化剤ガス排出連通孔
32a…冷却媒体供給連通孔 32b…冷却媒体排出連通孔
34a…燃料ガス供給連通孔 34b…燃料ガス排出連通孔
36…固体高分子電解質膜 38…アノード側電極
40…カソード側電極 46…酸化剤ガス流路
48…燃料ガス流路 50…冷却媒体流路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記一組のエンドプレートに対し、互いに近接する方向に所定の締め付け荷重を付与して前記燃料電池スタックを締め付ける締め付け工程と、
前記燃料電池スタックを最大負荷で運転するとともに、最大負荷運転時の前記燃料電池スタックの第1締め付け荷重を検出する第1検出工程と、
前記燃料電池スタックの運転を停止し、該燃料電池スタックを氷点下の温度に冷却した状態で、前記燃料電池スタックの第2締め付け荷重を検出する第2検出工程と、
新たに組み立てられた燃料電池スタックに、前記第1締め付け荷重と前記第2締め付け荷重との間で周期的に変動する締め付け荷重を付加する付加工程と、
を有し、
前記燃料電池スタックの積層方向の全長の変化量が所定の範囲内になるまで、上記の付加工程を継続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。 A fuel in which an electrolyte / electrode assembly provided with electrodes on both sides of an electrolyte is provided with a laminate in which a plurality of laminates are interposed via separators, and a pair of end plates are disposed at both ends in the stacking direction of the laminate. A battery stack assembly method comprising:
A tightening step of tightening the fuel cell stack by applying a predetermined tightening load to the set of end plates in a direction close to each other;
A first detection step of operating the fuel cell stack at a maximum load and detecting a first tightening load of the fuel cell stack during a maximum load operation;
A second detection step of detecting a second tightening load of the fuel cell stack in a state where the operation of the fuel cell stack is stopped and the fuel cell stack is cooled to a temperature below freezing point;
An additional step of adding to the newly assembled fuel cell stack a tightening load that periodically varies between the first tightening load and the second tightening load;
Have
The method of assembling the fuel cell stack, wherein the additional step is continued until the amount of change in the total length in the stacking direction of the fuel cell stack falls within a predetermined range.
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