JP2010157364A - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ省スペースで、作業の煩雑さを抑えて、精度良く燃料電池スタックを組み立てることができる定寸構造の燃料電池スタックの製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池のセル１１を積層させてセル積層体１０とし、セル積層体１０をセル積層方向Ｔから挟持するように一対のエンドプレート２０，２０を配置し、一対のエンドプレート２０同士を張力測定具５０で締結し、張力測定具５０に作用するセル積層方向Tの張力が所定の張力となるように、張力測定具５０で張力を測定しつつ、一対のエンドプレート２０，２０を介してセル積層体１０をセル積層方向Ｔに締め付けて、張力測定具５０の締め付け量を決定し、張力測定具５０を一対のエンドプレート２０，２０から取り外し、締め付け量に応じて一対のエンドプレート同士２０，２０を締結部材４０で締結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、定寸構造の燃料電池スタックに組み立てるに好適な燃料電池スタックの製造方法に関する。

従来から、燃料電池スタックは、以下のようにして、製造される。まず、セル（複数セルをシール接着したモジュールである場合を含む）をセル間にガスケットを挟み積層してセル積層体を製造する。次に、セル積層体のセル積層方向両端にターミナル、絶縁体を配置する。さらに絶縁体のセル積層方向外側に、セル積層方向の一端にプレッシャープレート、エンドプレートを、セル積層方向の他端にエンドプレートを配置する。そして、両端に配置された一対のエンドプレートを締結するように締結部材が取り付けられる。

このとき、セル間でガス及び冷却水のリークを生じないようにするために、締結部材を用いてエンドプレート間に配置されたセル積層体に対して、セル積層方向に所定の荷重を付与するように、エンドプレートを介して締結部材でセル積層体を締め付ける。しかし、セル積層体に対して荷重が大き過ぎるとセパレータが割れてしまうおそれがある。

このような点を鑑みて、例えば、図２に示すように、エンドプレート２０とセル積層体１０との間に、ロードセル８１を配置し、ロードセル８１により検出される荷重を測定しながら、セル積層体１０に作用する荷重が所定の荷重となるように、締結部材４０で締め付けを調整し、燃料電池スタック９１に組み立てる。

また、別の態様として、図３に示すように、セル積層体１０のセル積層方向の両側に一対のエンドプレート２０を配置し、一対のエンドプレート２０を締結部材４０で締結する際に、締結部材４０のセル積層方向の荷重を測定するために、締結部材４０の長手方向に沿った引張加重を測定するひずみケージ（荷重モニター用のひずみゲージ）８２を配置し、ひずみゲージ８２に作用する引張荷重を測定しながら、一対のエンドプレート２０間の締結部材４０を締め付けの調整し、燃料電池スタック９２を組み立てる。

さらに、別の態様としては、図４に示すように、セル積層体１０のセル積層方向の両側に一対のエンドプレート２０を配置し、スタック長が定寸（所定長さＬ）となるように、一端側からロードセル８３に取付けられた加圧治具８４でセル積層体１０を積層方向に押圧し、ロードセル８３により測定された荷重に基づいて、エンドプレート２０間に締結部材４０を締結し、燃料電池スタック９３を組み立てる（例えば、特許文献１参照）。

図２〜４に示すいずれの方法も、ロードセル又はひずみゲージを用いて、セル積層体に作用する荷重を測定するため、セル積層体に所望の荷重を作用させながら、締結部材により、燃料電池スタックを組み立てることができるので、調整した所望の荷重を維持し、かつ、スタックの形状を維持することができる。
特開２００６−１０８５８号公報

しかしながら、図２に示すようにして、燃料電池スタックを組み立てた場合には、ロードセルは組み付けの際にしか必要でないにもかかわらず、セル積層体にロードセルを設け、スタックにロードセルを内蔵しているため、コストおよびスペースにおいて不利である。さらに組み立て後もロードセルは取り外されないため、ロードセルに接続された配線の取り回しが複雑になり、組み立て作業が煩雑なものとなる。

また、図３に示すようにして、燃料電池スタックを組み立てた場合も同様に、締結部材毎に配置されたひずみゲージは組み付けの際にしか必要なく、このひずみゲージは、複数個配置されるので、ロードセルに比べてさらに配線の取り回しが複雑になり、組み立て作業がさらに煩雑なものとなる。

また、図４に示すようにして、燃料電池スタックを組み立てた場合には、加圧治具のロードセルにより荷重を測定し、締結部材で締結するので、エンドプレートに隣接したセルが太鼓状に変形するので、この変形分の荷重を補正しなければならず、最終的にセル積層体に所望の荷重を作用させることが難しいことがある。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安価かつ省スペースで、作業の煩雑さを抑えて、精度良く燃料電池スタックを組み立てることができる定寸構造の燃料電池スタックの製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、燃料電池のセルを積層させてセル積層体とし、該セル積層体をセル積層方向から挟持するように一対のエンドプレートを配置し、該一対のエンドプレート同士を張力測定具で締結し、該張力測定具に作用する前記セル積層方向の張力が所定の張力となるように、前記張力測定具で前記張力を測定しつつ前記一対のエンドプレートを介して前記セル積層体を前記セル積層方向に締め付けて、前記張力測定具の締め付け量を決定し、前記張力測定具を前記一対のエンドプレートから取り外し、前記締め付け量に応じて前記一対のエンドプレート同士を締結部材で締結することを特徴とする。

本発明では、まず、燃料電池のセルを複数枚積層させてセル積層体を成形する。次に、セル積層体をセルの積層方向から挟持するように一対のエンドプレートを配置する。なお、エンドプレートは、セル積層体をセル積層方向に加圧する（荷重を作用させる）ためのものであり、後述する締結部材の締め付け量に応じて、セル積層体に所望の荷重をさせることができる。

ここで、本発明では、締結部材により締結する前に、該一対のエンドプレート同士を、張力測定具で締結する。この張力測定具には、セル積層方向に作用する荷重を測定可能な測定器（例えばひずみゲージ）が取着されており、張力測定具は、締結部材と同じ剛性を有した部材であることが好ましく、締結部材と同じ形状、同じ材質であることがより好ましい。

そして、張力測定具を用いて、一対のエンドプレートを介してセル積層体を前記セル積層方向に締め付ける。このときに、張力測定具に作用するセル積層方向の張力が所定の張力となるように、張力測定具に作用する張力を測定しつつ、一対のエンドプレートに対する張力測定具のセル積層方向の締め付け量（セル積層体のセル積層方向の変位量）を決定する。

ここでいう所定の張力とは、セル積層体のセル間において、燃料電池使用時にガスや冷却水のリークが生じず、さらには、荷重によりセルを損傷しない程度に、セル積層体に荷重が作用したときに張力測定具に生じる力である。

締め付け量の決定後に、張力測定具を一対のエンドプレートから取り外し、決定された締め付け量に応じて、一対のエンドプレート同士を締結部材で締結し、燃料電池スタックが組み立てられる。

このようにして、張力測定具を用いて、その後、エンドプレートに取り付ける締結部材の取付け具合を決めることができるので、従来の方法と同様に、締結部材を用いて、エンドプレートを介してセル積層体に所望の荷重を作用させることができる。

また、張力測定具は、セル積層方向の締め付け量を決定することができれば、その後、エンドプレートから取り外されるので、燃料電池スタック内に残ることはなく、従来の装置内に測定器が残ることを考慮した測定用配線の取り回しの煩雑な作業はほとんど必要なく、組立作業性も向上する。張力測定具を組み立て時に再利用することができ、燃料電池スタックの製造コストの安価化を図ることができる。

さらに、締め付け量により張力を管理することができるので、締結部材に作用する張力を、張力測定具により測定した張力と同じにすることができるので、より精度良く、セル積層体のセル積層方向に荷重を作用させて、燃料電池スタックを組み立てることができる。

本発明によれば、安価かつ省スペースで、作業の煩雑さを抑えて、精度良く燃料電池スタックを組み立てることができる定寸構造の燃料電池スタックを製造することができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池スタックの製造方法の一実施形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法の一連の製造方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、セル積層体にエンドプレートを配置するための図であり、図１（ｂ）は、一対のエンドプレートに張力測定具を締結して、締め込み量を決定する工程を説明するための図であり、図１（ｃ）は、張力測定具を取り外す工程を説明するための図であり、図１（ｄ）は、一対のエンドプレートに締結部材を締結する工程を説明するための図である。

まず、固体高分子型燃料電池のセル（単セル）１１を製造する。この単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータで挟持して、１つの単セルを形成している。

膜電極接合体は、イオン交換膜である電解質膜の一方側にアノード側の電極（アノード触媒層）とアノード側のガス拡散層（アノードガス拡散層）を積層し、他方の側にカソード側の電極（触媒層）とカソード側のガス拡散層（カソードガスガス拡散層）を積層した構造を有する。このような燃料電池のセルを積層して、図１（ａ）に示すようなセル積層体１０を製造する。

次に、セル積層方向Ｔから挟持するように一対のエンドプレート２０，２０を配置する。エンドプレート２０は、セル積層体１０をセル積層方向Ｔに加圧する（荷重を作用させる）ためのものであり、後述する締結部材４０又は張力測定具５０の締め付け量に応じて、セル積層体１０に荷重をさせることができる。この際に、所定の定寸を得るべく、予めセル積層体１０とエンドプレート２０との間に、シム（スペーサ）を配置してもよい。

そして、エンドプレート２０を配置した状態で、一対のエンドプレート２０同士を複数の張力測定具５０で締結する。張力測定具５０は、棒状体であり、張力測定具５０には、セル積層方向に作用する荷重を測定可能なように（棒状体の軸方向の引張荷重が測定可能なように）ひずみゲージ５１が取着されており、後述する締結部材４０と同じ形状、同じ材質、すなわち、同じ剛性を有したものである。また、張力測定具５０は、後述する締結部材４０の本数（例えば６本）準備し、これらの締結部材４０のそれぞれは、トレーサビリティのとれた（同じ機械的特性の）ものが望ましい。

このような張力測定具５０を用いて、一対のエンドプレート２０，２０を介してセル積層体１０をセル積層方向Ｔに締め付ける。このときに、セル積層体１０には、圧縮方向に荷重（圧縮力）が作用し、その反力として、張力測定具５０には、張力が発生する。この発生した張力を、ひずみゲージ５１により測定する。各張力測定具５０により測定した張力を張力測定具の断面積を乗じることにより荷重を算出し、この算出した荷重が、セル積層体１０に作用する荷重となる。また、この張力測定具５０の接続を自動化してもよい。

具体的には、この締結する際に、張力測定具５０に作用するセル積層方向Ｔの張力が基準張力となるように、張力測定具５０に配置されたひずみゲージ５１で張力を測定しながら、一対のエンドプレート２０，２０を介してセル積層体１０をセル積層方向Ｔに締め付けて、張力測定具５０の締め付け量を決定する。

この基準張力は、セル積層体１０のセル１１の間において、燃料電池使用時にガスや冷却水のリークが生じず、さらには、荷重によりセル損傷しない程度に、セル積層体１０に荷重を作用させたときに張力測定具に生じる力である。

その後、張力測定具５０を一対のエンドプレート２０，２０から取り外し、必要に応じて、シムを交換したのち、先に決定した締め付け量に応じた締め付け量で、一対のエンドプレート同士２０，２０を締結部材４０で締結し、燃料電池スタック１を製造する。

このようにして、張力測定具５０を用いて、その後、エンドプレート２０に取り付ける締結部材４０の取付け具合を決めることができるので、従来の方法と同様に、締結部材４０を用いて、エンドプレートを介してセル積層体に所望の荷重を作用させることができる。

また、張力測定具５０は、セル積層方向Ｔの締め付け量を決定することができれば、その後、エンドプレート２０から取り外されるので、燃料電池スタック１内に残ることはなく、従来の製品内に組み込まれる高価な荷重モニター用ひずみゲージやロードセルを使用になくてもよい。また、張力測定具５０を度組み立て時に再利用することができ、燃料電池スタック１の製造コストの安価化を図ることができる。

さらに、締め付け量により張力を管理することができるので、締結部材４０に作用する張力を、張力測定具５０により測定した張力と同じにすることができるので、より精度良く、セル積層体１０のセル積層方向Ｔに荷重を作用させて、燃料電池スタック１を組み立てることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法の一連の製造方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、セル積層体にエンドプレートを配置するための図であり、図１（ｂ）は、一対のエンドプレートに張力測定具を締結して、締め込み量を決定する工程を説明するための図であり、図１（ｃ）は、張力測定具を取り外す工程を説明するための図であり、図１（ｄ）は、一対のエンドプレートに締結部材を締結する工程を説明するための図。 従来の燃料電池スタックの製造方法を説明するための図。 従来の別の態様の燃料電池スタックの製造方法を説明するための図。 従来のさらに別の態様の燃料電池スタックの製造方法を説明するための図。

符号の説明

１：燃料電池スタック、１０：セル積層体、１１：セル、２０：エンドプレート、４０：締結部材、５０：張力測定具、５１：ひずみゲージ、Ｔ：セル積層方向

Claims (1)

1. 燃料電池のセルを積層させてセル積層体とし、
   該セル積層体をセル積層方向から挟持するように一対のエンドプレートを配置し、
   該一対のエンドプレート同士を張力測定具で締結し、
   該張力測定具に作用する前記セル積層方向の張力が所定の張力となるように、前記張力測定具で前記張力を測定しつつ前記一対のエンドプレートを介して前記セル積層体を前記セル積層方向に締め付けて、前記張力測定具の締め付け量を決定し、
   前記張力測定具を前記一対のエンドプレートから取り外し、前記締め付け量に応じて前記一対のエンドプレート同士を締結部材で締結することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。

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