JP2016062713A

JP2016062713A - 燃料電池スタックの製造方法

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Publication number: JP2016062713A
Application number: JP2014188900A
Authority: JP
Inventors: 竹内　弘明; Hiroaki Takeuchi; 弘明竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-04-25
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: JP6252415B2

Abstract

【課題】燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層を配置する。
【解決手段】燃料電池スタックＡは、複数の燃料電池単セルを積層方向Ｓに沿って積層することにより形成される積層体１１を含む燃料電池本体１と、燃料電池本体が収容されるケース２と、燃料電池本体とケースとの間に配置され、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層３とを備える。その製造方法は、燃料電池本体がケースに収容されたときの、積層方向に沿った燃料電池本体の外周面１ａと外周面に対向するケースの内周面２ａとの距離Ｄよりも大きい厚みｄ１を有する介在層を用意する工程と、燃料電池本体とは別の位置で、介在層の厚みが距離よりも小さくなるように、介在層を潰す工程と、潰された介在層を外周面に配置する工程と、介在層の厚みが距離にまで膨らむ前に、燃料電池本体をケースに収容する工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの製造方法に関する。

複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、積層方向に沿った燃料電池本体の外周面の外側に設けられたテンションプレートと、燃料電池本体の外周面とテンションプレートとの間に配置される、低摩擦特性、緩衝特性及び絶縁特性を有する介在層とを備える燃料電池スタックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。介在層としては、例えば発泡性の樹脂やゴムが例示されている。

特開２００３−２０３６７０号公報

特許文献１の燃料電池スタックの製造方法としては、特許文献１には具体的に明示されていないが、積層方向に沿った燃料電池本体の外周面上に介在層を配置し、その介在層上にテンションプレートを配置する方法が考え得る。すなわち、燃料電池本体の外周面上にそれぞれ介在層を配置し、続いて、各介在層の上にテンションプレートを配置し、その後、各テンションプレート同士を接続する方法である。この場合、板状のテンションプレートで燃料電池本体を囲むため、水密性を確保するためにテンションプレート間に挿入するガスケットや、テンションプレート同士を接続するためのボルトのような部材が必要であり、製造コストが増加し生産性が低下する。それに対処すべく検討を行った結果、発明者らは、テンションプレートの代わりに箱型のケースを用意し、外周面に介在層を配置された燃料電池本体をケースに収めることで、水密性を確保しつつ、製造コストの低減や生産性の向上が可能であることを見出した。ここで、介在層の機能、特に緩衝特性を発揮させるためには、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に圧縮状態で介在層を配置する必要がある。しかし、燃料電池本体をケースに収める形態の場合、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に圧縮状態で介在層を配置することは極めて困難である。燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層を配置可能な技術が望まれる。

本発明によれば、複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、燃料電池本体が収容されるケースと、前記燃料電池本体と前記ケースとの間に配置され、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層とを備える燃料電池スタックの製造方法であって、前記燃料電池本体が前記ケースに収容されたときの、前記積層方向に沿った前記燃料電池本体の外周面と前記外周面に対向する前記ケースの内周面との距離よりも大きい厚みを有する前記介在層を用意する工程と、前記燃料電池本体とは別の位置で、前記介在層の厚みが前記距離よりも小さくなるように、前記介在層を潰す工程と、前記潰された介在層を前記外周面に配置する工程と、前記介在層の厚みが前記距離にまで膨らむ前に、前記燃料電池本体を前記ケースに収容する工程と、を備える燃料電池スタックの製造方法が提供される。

燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層を配置することができる。

燃料電池スタックの断面図である。燃料電池スタックの断面図である。燃料電池スタックの製造工程を示す断面図である。燃料電池スタックの製造工程を示す断面図である。燃料電池スタックの製造工程を示す断面図である。燃料電池スタックの製造工程を示す断面図である。燃料電池スタックの製造工程を示す断面図である。

実施例に係る燃料電池スタックＡについて説明する。
図１及び図２は、燃料電池スタックＡの概略断面図である。ただし、図１は図２のＥ２−Ｅ２断面図であり、図２は図１のＥ１−Ｅ１断面図である。燃料電池スタックＡは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１が収容されるケース２と、燃料電池本体１とケース２との間に配置される介在層３とを備える。

燃料電池本体１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され電気化学反応により電力を発生する。燃料電池本体１は、積層体１１と、ターミナルプレート１２と、エンドプレート１４と、絶縁プレート１３とを備える。積層体１１は、複数の燃料電池単セルを積層方向Ｓに沿って積層することにより形成される。ターミナルプレート１２は、積層体１１の積層方向Ｓの両端部に配置される。エンドプレート１４は、ターミナルプレート１２の積層方向Ｓの外側に配置される。絶縁プレート１３は、ターミナルプレート１２とエンドプレート１４との間に配置される。ターミナルプレート１２、エンドプレート１４及び絶縁プレート１３は、積層方向Ｓに垂直な断面でみると、それぞれ長方形状をなしている。そのとき、ターミナルプレート１２及び絶縁プレート１３は互いにほぼ同じ大きさである。一方、エンドプレート１４はターミナルプレート１２及び絶縁プレート１３とほぼ同じ大きさか又はこれらよりもわずかに大きい。ターミナルプレート１２及びエンドプレート１４は導電性材料から形成され、絶縁プレート１３は電気絶縁性材料から形成される。

ケース２は、燃料電池本体１を圧縮状態で収容し、燃料電池本体１を拘束する。ケース２は、ケース本体２２と、蓋プレート２１とを備える。ケース本体２２は、その内部に燃料電池本体１を収容可能である。ケース本体２２は、ほぼ直方体であり、４つの側面と底面とを有し、底面に対向して開口を有する。蓋プレート２１は、ケース本体２２の蓋であり、ケース本体２２に締結部材で締結される。ケース本体２２の内部における底面の広さは、燃料電池本体１の積層方向Ｓに垂直な断面よりもやや大きい。ケース本体２２の内部における積層方向Ｓの長さ、すなわち深さは、燃料電池本体１が積層方向Ｓに圧縮されたときの積層方向Ｓの長さと同じかやや長い。ケース本体２２内に燃料電池本体１を収容して蓋プレート２１を閉じると、燃料電池本体１は蓋プレート２１及びケース本体２２の底面により両側から積層方向Ｓ内向きに押されて、拘束される。その結果、燃料電池本体１の両側のエンドプレート１４、１４が積層方向Ｓ内向きに互いに近づく。したがって、積層体１１、ターミナルプレート１２、エンドプレート１４及び絶縁プレート１３が積層方向Ｓに関し互いに密着される。なお、ケース本体２２の深さが燃料電池本体１の積層方向Ｓの長さよりやや長いときには、例えば、ケース本体２２の底面の外側からボルトを締め込み、底面の内側からボルトの先端でエンドプレート１４を押すようにする。ケース本体２２及び蓋プレート２１は、ステンレスやアルミニウムのような金属で形成される。別の実施例では、燃料電池本体１がケース２に収容されると、蓋プレート２１とそれに接するエンドプレート１４とが締結部材で締結され、ケース本体２２の底面とそれに接するエンドプレート１４とが締結部材で締結されることで、ケース２と燃料電池本体１とが更に締結される。

燃料電池スタックＡの積層方向Ｓの一端に位置する蓋プレート２１、ターミナルプレート１２、絶縁プレート１３及びエンドプレート１４は、これら蓋プレート２１、ターミナルプレート１２、絶縁プレート１３及びエンドプレート１４を積層方向Ｓに貫通して燃料電池スタックＡの外部から積層体１１に到る複数の流通路（図示せず）を備えている。これら流通路には、水素のような燃料ガスを積層体１１に供給する供給路、燃料ガスを積層体１１から排出する排出路、空気のような酸化剤ガスを積層体１１に供給する供給路、酸化剤ガスを積層体１１から排出する排出路、冷却水を積層体１１に供給する供給路、及び冷却水を積層体１１から排出する排出路が含まれる。

燃料電池単セルはそれぞれアノード極及びカソード極（図示せず）を有しており、積層体１１の一端のアノード極は一方のターミナルプレート１２に電気的に接続され、他端のカソード極は他方のターミナルプレート１２に電気的に接続される。燃料電池単セルは、燃料電池単セルに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セルで発生した電力は、ターミナルプレート１２から燃料電池スタックＡの外部に到る複数の配線（図示せず）を介して燃料電池スタックＡの外部に取り出される。燃料電池スタックＡから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。なお、エンドプレート１４及びケース２は接地されている。

介在層３は、燃料電池本体１に加わる衝撃を吸収し、燃料電池本体１の位置ずれを抑制し、燃料電池本体１とケース２とを電気的に絶縁する部材であり、燃料電池本体１とケース２との間、すなわち積層方向Ｓに沿った燃料電池本体１の外周面１ａと外周面１ａに対向するケース２の内周面２ａとの間に配置される。介在層３は、積層方向Ｓの断面（例えば図１）で見た場合、燃料電池本体１の外周面１ａ及び内周面２ａの積層方向Ｓの全長に亘り、すなわち燃料電池本体１の一端から他端に亘って設けられている。一方、積層方向Ｓと垂直な断面（例えば図２）で見た場合、少なくとも燃料電池本体１の四つの角部Ｃｎの近傍に、すなわち少なくともケース２の四つの角部の近傍に設けられている。

介在層３を、積層方向Ｓの断面（図１）で見た場合、積層方向Ｓに沿って燃料電池本体１の一端から他端に亘って設けるのは、積層方向Ｓに垂直な方向の力が加わったとき、各燃料電池単セルが位置ずれするのを抑制するためであり、特に位置ずれし易い積層体１１の中央部を確実に保持するためである。また、介在層３を、積層方向Ｓと垂直な断面（図２）で見た場合、少なくともケース２の四つの角部設けるのは、燃料電池単セルが位置ずれしようとするとき介在層３に掛かる力をケース２で支持する場合、少なくとも剛性の高いケース２の角部で支持することで介在層３に掛かる力を安定的に支持できるからである。

介在層３は、電気的絶縁性を有し、ダイラタント的特性及び復元力を有する。ダイラタント的特性とは、ゆっくりとした入力荷重には流動性を示し、ゆっくり変形し、急激な入力荷重には固体のように振る舞い、ほとんど変形しない性質をいう。復元力とは、外力により寸法が変化したとき、元の寸法に戻ろうとする力である。介在層３の材料としては、上記特性を有していれば特に限定されず、例えば、樹脂と固形物との混合物が挙げられる。具体的には、シリコーンオイルとホウ酸の混合物に、微量の触媒（例示：塩化鉄や塩化ニッケル等）を加えて高温環境下（例示：１００℃以上）において混練及び乾燥させて得られる材料が例示される。また、ダウコーニング社のダウコーニング３１７９（ダウコーニングは登録商標）や、ＷａｃｋｅｒＧｍｂＨ社のＭ４８、Ｍ４９のような製品を用いることもできる。また、シリコーン樹脂（ゲルを含む）とシリカとの混合物を用いることもできる。

また、介在層３としては、荷重ゼロの状態では、積層方向Ｓに沿った燃料電池本体１の外周面１ａと外周面１ａに対向するケース２の内周面２ａとの距離Ｄよりも大きい厚みを有するものを用いる。介在層３の厚みが距離Ｄよりも小さくなるように介在層３を潰し、潰された介在層３を外周面１ａに配置し、介在層３の厚みが距離Ｄにまで膨らむ前に、燃料電池本体１をケース２に収容することで、介在層３に影響されずに容易に燃料電池本体１をケース２に収容できるからである。この場合、介在層３は、その後に厚みを回復するが、本来の厚みが距離Ｄよりも大きいので、本来の厚みを回復することなく圧縮状態で燃料電池本体１の外周面１ａとケース２の内周面２ａとの間に配置されることになる。介在層３が圧縮状態で配置されることは、燃料電池本体１に加わる衝撃を吸収し易くし、燃料電池本体１の位置ずれを抑制し易くでき、好ましい。

介在層３にダイラタント的特性を有する材料を用いる理由は以下のとおりである。
燃料電池スタックＡが車両に搭載される場合、車両の衝突などで急激な衝撃を受けることがある。燃料電池スタックＡが急激な衝撃を受けると、燃料電池本体１には積層方向Ｓに平行及び垂直な方向の力が加わる。このうちの積層方向Ｓに垂直な方向の力により、積層体１１の各燃料電池単セルは元の位置から力の方向にずれようとする。特に各燃料電池単セルのうち、積層方向Ｓにおける中央部に位置する燃料電池単セルは、両端のエンドプレート１４から加えられる押し付け力が弱いため、より大きくずれようとする。ここで、積層体１１の、積層方向Ｓに垂直な方向の側には、積層方向Ｓに沿う外周面に、ダイラタント的特性を有する介在層３が配置されている。そのため、車両の衝突時の衝撃で各燃料電池単セルが急激にずれようとしたとき、介在層３は急激な変化を受けて、固体のように振る舞う。その結果、介在層３は、積層体１１における各燃料電池単セルの位置ずれの発生を抑制し、位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生を抑制できる。
一方、車両の衝突などではなく、例えば、積層体１１の燃料電池単セルの熱膨張などに起因して各燃料電池単セルが積層方向Ｓに垂直な方向にゆっくりと変形することがある。ここで、積層体１１の、積層方向Ｓに垂直な方向の側には、積層方向Ｓに沿う外周面に、ダイラタント的特性を有する介在層３が配置されている。そのため、熱膨張などで各燃料電池単セルがゆっくりと変形するとき、介在層３はゆっくりとした変化を受けて、流動的に変化する。その結果、介在層３は、各燃料電池単セルの変形によって生じた隙間（燃料電池単セルと介在層３との間）を埋めるように変形する。このように、燃料電池単セルと介在層３との間の隙間の発生を抑制できるので、車両の衝突時に燃料電池単セルが急激にずれようとしても、介在層３によりずれを抑えることができ、燃料電池単セルの位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生を抑制できる。

次に、実施例に係る燃料電池スタックＡの製造方法について説明する。図３〜図７は、燃料電池スタックＡの各製造工程を示す概略断面図である。

まず、図３に示すように、ケース２の蓋プレート２１をフレーム（図示せず）に保持し、保持された蓋プレート２１に、積層体１１の両側にそれぞれターミナルプレート１２と絶縁プレート１３とエンドプレート１４とが積層された燃料電池本体１を、荷重Ｐで押し付ける。

一方、図４に示すように、燃料電池本体１がケース２に収容されたときの、積層方向Ｓに沿った燃料電池本体１の外周面１ａと外周面１ａに対向するケース２の内周面２ａとの距離Ｄよりも大きい厚みｄ１を有する、すなわちｄ１＞Ｄである介在層３を用意する。この厚みｄ１は、介在層３に加わる厚さ方向の荷重がゼロの場合の厚みである。介在層３の長さは燃料電池本体１の一端から他端までの長さである（図１）。介在層３の幅は少なくとも燃料電池本体１の角部Ｃｎ近傍を覆う幅である（図２）。介在層３の数は例えば８枚である。
そして、介在層３の厚みが距離Ｄよりも小さい厚みｄ２になるように、例えば作業台の上で介在層３をゆっくり潰す。介在層３はダイラタント的特性を有しているので、ゆっくり変形することで、容易に変形することができる。この場合、元の形状に戻るのもゆっくりと戻る、すなわちしばらくの間、介在層３は、薄い厚みの状態を維持する。なお、図３の工程と図４の工程との順番は特に限定されない。外部の作業台など、燃料電池本体１とは別の位置で介在層３を潰すので、燃料電池本体１上で介在層３を潰す場合と比較して、燃料電池本体１へ加わる外力を小さくすることができる。

続いて、図５に示すように、ケース２の蓋プレート２１に燃料電池本体１を荷重Ｐで押し付けた状態を維持しながら、潰された介在層３を、燃料電池本体１の４つの外周面１ａの角部Ｃｎ近傍に２枚ずつ配置する。

その後、図６に示すように、ケース２の蓋プレート２１に燃料電池本体１を荷重Ｐで押し付けた状態を維持しながら、介在層３の厚みが距離Ｄにまで膨らむ前に、燃料電池本体１をケース２のケース本体２２に収容する。介在層３は、復元力により元の形状、すなわち厚みｄ１に戻ろうとするが、その速度はゆっくりであるため、この段階では厚みの薄い状態にある。そのため、介在層３にほとんど触れることなくケース本体２２を燃料電池本体１にかぶせることができる。なお、荷重Ｐはケース２の底面に設けられた開口部（配線や配管用）を介して印加することができる。

その後、図７に示すように、ケース本体２２をボルトのような締結部材（図示せず）で蓋プレート２１に締結する。以上により、燃料電池スタックＡが完成される。このとき、介在層３が膨らみながら厚みを回復しつつ、燃料電池本体１の各プレートや各燃料電池単セルの凹凸に合わせてケース２との隙間を埋め、燃料電池本体１の外周面１ａとケース２の内周面２ａとの間に圧縮状態で配置される。

上記の燃料電池スタックの製造方法では、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層３を利用する。すなわち、予め燃料電池本体１とは別の位置で、燃料電池本体１とケース２との距離（隙間）Ｄ未満に介在層３を潰すことで、燃料電池本体１への設置に要する外力を削減できると共に、燃料電池本体１のケース２への挿入性を向上させることができる。加えて、燃料電池本体１がケース２内に収まった後に介在層３が復元することで、燃料電池本体１とケース２との間に圧縮状態で介在層３を容易に配置することができる。また、ケース２が水密、締結、外部拘束の機能を有するため、それら機能を実現する構成が簡略化され、燃料電池スタックＡの大きさを小さくでき、コストを低減できる。内に配置しているので、その結果、燃料電池スタックＡが急激な衝撃を受けたとき、介在層３は固体のように振る舞い、各燃料電池単セルの位置ずれの発生を抑制し、位置ずれに起因する反応ガスや冷却媒体の漏れの発生を抑制できる。また、燃料電池単セルが緩やかに変形したとき、介在層３は流動性を示し、各燃料電池単セルの変形によって生じた隙間を埋めるように変形し、燃料電池単セルと介在層３との間の隙間の発生を抑制できる。

以上説明されたように、実施例の燃料電池スタックＡの製造方法は、燃料電池本体の外周面とケースの内周面との間に適切に介在層３を配置することができる。

１燃料電池本体
１ａ外周面
２ケース
２ａ内周面
３介在層
１１積層体
Ａ燃料電池スタック
Ｄ距離
ｄ１厚み
Ｓ積層方向

Claims

複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、燃料電池本体が収容されるケースと、前記燃料電池本体と前記ケースとの間に配置され、変形されたとき元の寸法に戻ろうとする復元力を有する介在層とを備える燃料電池スタックの製造方法であって、
前記燃料電池本体が前記ケースに収容されたときの、前記積層方向に沿った前記燃料電池本体の外周面と前記外周面に対向する前記ケースの内周面との距離よりも大きい厚みを有する前記介在層を用意する工程と、
前記燃料電池本体とは別の位置で、前記介在層の厚みが前記距離よりも小さくなるように、前記介在層を潰す工程と、
前記潰された介在層を前記外周面に配置する工程と、
前記介在層の厚みが前記距離にまで膨らむ前に、前記燃料電池本体を前記ケースに収容する工程と、
を備える
燃料電池スタックの製造方法。