JP2016062794A - 燃料電池スタックの寿命評価方法および製造方法ならびに燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの寿命を予測することができる燃料電池スタックの寿命評価方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタックの寿命評価方法は、以下のステップを有する。締付部および被締付部について、締付時の応力を求める。締付部および被締付部について、締付時の温度と運転時の温度との温度差での熱膨張による応力を求める。上記した締付時の応力と上記した熱膨張による応力とを用いて、締付部および被締付部について、運転開始時の応力を求める。上記した運転開始時の応力を用いて、締付部および前記被締付部について、運転中の応力を求める。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックの寿命評価方法および製造方法ならびに燃料電池スタックに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、近年の分散電源需要、ＣＯ_２削減対策、関連技術の進歩により、改めて注目されている。ＳＯＦＣについては、燃料電池セルの高性能化に加えて、燃料電池セルの大面積化、多層化などにより大型化が進められている。大型化技術の１つとして、平板型の燃料電池セルの採用が期待されている。平板型の燃料電池セルは、多層化により起電力を向上できる。多層化の方法として、多数の平板型の燃料電池セルを積層した後、ボルトおよびナットを用いて積層方向に締付を行う方法が知られている。

特開２０１２−１３３８９２号公報 特開２０１２−１２９１４８号公報 特開２０１１−２２８１７１号公報 特開２０１０−２５１０１５号公報

しかしながら、ボルトおよびナットを用いて締付を行う方法の場合、構成部材間の熱膨張差により締付の緩みが発生しやすい。また、上記方法の場合、クリープリラクセーションにより、ボルトの応力が低下しやすい。隣り合う燃料電池セルの間にはシール部が配置されているが、締付の緩み、ボルトの応力の低下などが発生すると、シール部の面圧が低下しやすい。シール部の面圧が低下すると、隣り合う燃料電池セルの間の気密性が低下して発電効率が低下しやすい。特に、ＳＯＦＣは高温で運転されることから、締付の緩み、ボルト応力の低下などが発生しやすく、シール部の面圧が低下して気密性が低下しやすい。このため、気密性の低下を予測して、これにより気密性の低下を抑制して、寿命の長いものとすることが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの寿命を予測することができる燃料電池スタックの寿命評価方法を提供することである。また、本発明が解決しようとする課題は、寿命の長い燃料電池スタックを製造することができる燃料電池スタックの製造方法を提供することである。また、本発明が解決しようとする課題は、寿命の長い燃料電池スタックを提供することである。

実施形態の寿命評価方法は、燃料電池スタックの寿命評価に関する。燃料電池スタックは、被締付部および締付部を有する。被締付部は、シール部を介して積層された複数の単位燃料電池、および複数の単位燃料電池を積層方向に挟持する一対の保持部を有する。締付部は、被締付部の締付に用いられる。

実施形態の寿命評価方法は、以下のステップを有する。締付部および被締付部について、締付時の応力を求める。締付部および被締付部について、締付時の温度と運転時の温度との温度差での熱膨張による応力を求める。上記した締付時の応力と上記した熱膨張による応力とを用いて、締付部および被締付部について、運転開始時の応力を求める。上記した運転開始時の応力を用いて、締付部および被締付部について、運転中の応力を求める。

実施形態の燃料電池スタックの一例を示す正面図である。 実施形態の単位燃料電池の一例を示す断面図である。 実施形態の寿命評価方法を示すフロー図である。 実施形態の製造方法を示すフロー図である。

以下、燃料電池スタックの寿命評価方法の実施形態について説明する。
まず、寿命評価の対象となる燃料電池スタックについて説明する。

図１は、寿命評価の対象となる燃料電池スタックの一例を示す正面図である。また、図２は、燃料電池スタックを主として構成する単位燃料電池の一例を示す断面図である。なお、図２には、金属板およびシール部を合わせて図示している。

燃料電池スタック１０は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池スタック１０は、複数の単位燃料電池１１が金属板１２およびシール部１３を介して積層されている。

単位燃料電池１１は、凹部を有する第１のセパレータ１１１と、この第１のセパレータ１１１の凹部に収容された燃料電池セル１１２とを有する。金属板１２は、例えば、第１のセパレータ１１１と燃料電池セル１１２との間を跨ぐようにして、燃料電池セル１１２の周りを１周するように設けられている。シール部１３は、金属板１２に積層されて燃料電池セル１１２の周りを１周するように環状に設けられている。

なお、シール部１３の平面方向の大きさは、第１のセパレータ１１１の平面方向の大きさと同一である必要はない。例えば、シール部１３の平面方向の大きさは、第１のセパレータ１１１の平面方向の大きさよりも小さくてもよい。また、シール部１３の平面形状は、燃料電池セル１１２の周りを１周する形状であれば特に制限されない。例えば、シール部１３の内縁と外縁との間の径方向の長さは、周方向において異なってもよい。

燃料電池セル１１２は、例えば、セラミックス系の平板型固体電解質膜がアノードとカソードとにより両側から挟み込まれた構造を有する。燃料電池セル１１２の両主面には、それぞれアノードまたはカソードと接触するように一対の集電体１１３が設けられる。なお、最上部の燃料電池セル１１２には、さらに燃料電池セル１１２を覆うように第２のセパレータ１４が設けられる。

複数の単位燃料電池１１の積層方向の両側には、それぞれ絶縁シート１５を介してエンドプレートとも呼ばれる板状の保持部１６が配置される。単位燃料電池１１の第１のセパレータ１１１、金属板１２、シール部１３、第２のセパレータ１４、絶縁シート１５、保持部１６には、積層方向に貫通する孔部１７が設けられる。通常、孔部１７は、燃料電池セル１１２の周囲に複数設けられる。

孔部１７には、締付部２１が挿入され、その端部に固定部２２が嵌め合わされて固定されている。なお、積層方向における締付部２１と保持部１６との間、および積層方向における固定部２２と保持部１６との間には、それぞれワッシャ１８が配置されている。これら締付部２１および固定部２２により、単位燃料電池１１、金属板１２、およびシール部１３などの積層方向の締結が行われている。また、これにより、隣り合う単位燃料電池１１の間がシール部１３により気密に封止されている。

ここで、締付部２１は、締付に主として用いられるものである。締付部２１は、積層方向の締付ができればよく、通常、ボルトが用いられる。固定部２２は、締付部２１を固定できればよく、通常、ナットが用いられる。締付部２１と固定部２２とにより締付される部分が被締付部２３である。被締付部２３には、単位燃料電池１１、金属板１２、シール部１３、第２のセパレータ１４、絶縁シート１５、保持部１６、およびワッシャ１８が含まれる。

ボルトのねじの呼び、本数、孔部１７の直径、個数などは、燃料電池スタック１０の構成に合わせて適宜選択できる。通常、ボルトのねじの呼びは、Ｍ８〜Ｍ２０が好ましい。ボルトの本数は、８〜２０本が好ましい。孔部１７の直径は、ボルトに合わせて適宜選択することが好ましい。孔部１７の個数は、ボルトの本数と同数が好ましい。単位燃料電池１１の積層数は、１〜２０層が好ましい。

第１のセパレータ１１１の厚さは、１〜５ｍｍが好ましい。金属板１２の厚さは、０．１〜０．５ｍｍが好ましい。保持部１６の厚さは、５〜２０ｍｍが好ましい。ワッシャ１８の厚さは、１〜６ｍｍが好ましい。

締付部２１、固定部２２の構成材料は、ニッケル合金が好ましく、特に析出硬化型のニッケル合金が好ましい。ニッケル合金、特に析出硬化型のニッケル合金は、高温強度、耐食性、クリープ強度などに優れるために好ましい。ニッケル合金、特に析出硬化型のニッケル合金としては、インコネル（大同スペシャルメタル社製、商標名）が挙げられ、インコネル７１８などが好適に用いられる。

第１のセパレータ１１１、第２のセパレータ１４、金属板１２、保持部１６の構成材料は、鉄鋼、ステンレス鋼などが好ましい。ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３１０（ＪＩＳ規格）などが好ましい。

シール部１３の構成材料は、公知の燃料電池スタックに一般的に用いられるシール材を用いることができる。シール材としては、運転温度付近で溶融する無機材料が挙げられる。このような無機材料としては、運転温度付近で溶融するガラスが挙げられる。このようなガラスには、セラミックス粉末、ガラス粉末などが含まれてもよい。セラミックス粉末、ガラス粉末としては、運転温度で溶融せず、また他の材料と反応しないものが好ましい。燃料電池スタック１０の製造においては、シート状のシール材を用いてもよいし、ペースト状のシール材を用いてもよい。シール部１３の厚さは、締付前の厚さで、０．５〜１ｍｍが好ましい。

燃料電池スタック１０においては、燃料電池セル１１２のカソードに酸化剤ガスが供給され、アノードに燃料ガスが供給される。カソードに酸化剤ガスが接触すると触媒反応により酸化物イオンに変化する。酸化物イオンは、平板型固体電解質膜を透過してアノードに移動し、アノードに接触した燃料ガスと反応する。この反応過程において電子が放出され、発電が行われる（Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻）。

次に、燃料電池スタック１０の寿命評価方法の実施形態について説明する。

図３は、寿命評価方法の処理の流れを示すフロー図である。実施形態の寿命評価方法は、以下の処理により寿命評価を行う。

締付部２１および被締付部２３について、締付時の応力（σ_１、σ_２）を求める（ステップＳ１１）。

締付部２１および被締付部２３について、締付時の温度（ｔ_０）と運転時の温度（ｔ_１）との温度差（Δｔ）での熱膨張による応力（σ_１ｔ、σ_２ｔ）を求める（ステップＳ１２）。

上記した締付時の応力（σ_１、σ_２）と熱膨張による応力（σ_１ｔ、σ_２ｔ）とを用いて、締付部２１および被締付部２３について、運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）を求める（ステップＳ１３）。

上記した運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）を用いて、締付部２１および被締付部２３について、運転中の応力（σ_１Ｈｔ、σ_２Ｈｔ）を求める（ステップＳ１４）。

以下、各ステップについて具体的に説明する。

ステップＳ１１では、締付部２１および被締付部２３について、締付時の応力（σ_１、σ_２）を求める。締付時の応力（σ_１、σ_２）は、締付部２１と固定部２２とにより締付が行われたときの応力である。締付時の温度（ｔ_０）は、通常、常温（２５℃）である。締付時の応力（σ_１、σ_２）は、以下のようにして求められる。

まず、締付部２１の１本当たりの締付力（ｐ）は、下記式（１）に示されるように、締付トルク（Ｔ）、トルク係数（Ｋ）、呼び径（ｄ）を用いて表すことができる。締付トルク（Ｔ）、トルク係数（Ｋ）、呼び径（ｄ）は、例えば、締付部２１となるボルトの締付トルク（Ｔ）、トルク係数（Ｋ）、呼び径（ｄ）である。複数の締付部２１がある場合、複数の締付部２１の全体としての締付力である合計締付力（Ｐ）は、各締付部２１の締付力（ｐ）を合計して求めることができる。例えば、各締付部２１の締付力（ｐ）が同じ場合、合計締付力（Ｐ）は、下記式（１ａ）のように示される。

ｐ：１本当たりの締付力［Ｎ］
Ｐ：合計締付力［Ｎ］
Ｔ：締付トルク［Ｎ・ｍ］
Ｋ：トルク係数（≒０．２）
ｄ：呼び径［ｍ］

合計締付力（Ｐ）、締付部２１の締付時の応力（σ_１）、および被締付部２３の締付時の応力（σ_２）は、式（２）に示される関係を有する。従って、締付部２１の締付時の応力（σ_１）は、式（３）により表すことができる。また、被締付部２３の締付時の応力（σ_２）は、式（４）により表すことができる。

σ_１：締付部の応力［ＭＰａ］
Ａ_１：締付部の合計有効断面積［ｍｍ^２］
σ_２：被締付部の応力［ＭＰａ］
Ａ_２：被締付部におけるシール部の面積［ｍｍ^２］

ここで、締付部２１の締付時の応力（σ_１）は、引張応力を正とする。被締付部２３の締付時の応力（σ_２）は、圧縮応力を正とする。

締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）は、各締付部２１の有効断面積を合計したものである。例えば、締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）は、全てのボルトの有効断面積を合計したものである。被締付部２３におけるシール部の面積（Ａ_２）は、複数層のシール部１３がある場合、１層のシール部１３の面積である。なお、複数層のシール部１３の面積が異なる場合、安全上の観点から、最も小さい面積を有するシール部１３の面積を面積（Ａ_２）として用いる。面積（Ａ_２）は、締付前の面積を採用してもよいし、締付後の面積を採用してもよい。

ステップＳ１２では、締付部２１および被締付部２３について、締付時の温度（ｔ_０）と運転開始時の温度（ｔ_１）との温度差（Δｔ）での熱膨張による応力（σ_１ｔ、σ_２ｔ）を求める。熱膨張による応力（σ_１ｔ、σ_２ｔ）は、以下のようにして求められる。

まず、温度差（Δｔ）での締付部２１のひずみ（ε_１）は、下記式（５）により表すことができる。また、温度差（Δｔ）による被締付部２３のひずみ（ε_２）は、下記式（６）により表すことができる。

ε_１：締付部のひずみ
ε_２：被締付部のひずみ
α_１：締付部の線膨張係数［℃^−１］
α_２：被締付部の線膨張係数［℃^−１］
ｔ_１：運転時の温度［℃］
ｔ_０：締付時の温度［℃］
Ｌ：締付部および被締付部の長さ［ｍｍ］
λ：締付部および被締付部の熱伸び［ｍｍ］

ここで、被締付部２３の長さ（Ｌ）は、積層方向における一方の固定部２２から他方の固定部２２までの長さである。被締付部２３の長さ（Ｌ）には、一対の固定部２２の長さが含まれる。締付部２１の長さ（Ｌ）は、実際に被締付部２３の締付を行っている部分の長さであり、被締付部２３の長さ（Ｌ）に等しい。締付部２１および被締付部２３の熱伸び（λ）は、上記部分におけるものであり、互いに等しい。締付部２１の線膨張係数は、一般に被締付部２３の線膨張係数よりも大きい。

締付部２１の熱膨張による応力（σ_１ｔ）は、下記式（７）により表すことができる。被締付部２３の熱膨張による応力（σ_２ｔ）は、下記式（８）により表すことができる。

σ_１ｔ：締付部の熱膨張による応力［ＭＰａ］
σ_２ｔ：被締付部の熱膨張による応力［ＭＰａ］
Ｅ_１ ：締付部のヤング率［ＭＰａ］
Ｅ_２ ：被締付部のヤング率［ＭＰａ］

ここで、締付部２１の熱変形荷重と被締付部２３の熱変形荷重とは等しい。従って、下記式（９）の関係が得られる。

式（９）に式（７）および式（８）を代入すると、熱伸び（λ）を表す式（１０）が得られる。

式（７）に式（１０）を代入すると、熱伸び（λ）を含まない式（１１）が得られる。

式（８）に式（１０）を代入すると、熱伸び（λ）を含まない式（１２）が得られる。

ここで、計算式が熱伸び（λ）を含むと、別に試験を行って熱伸び（λ）を測定する必要がある。計算式が熱伸び（λ）を含まない場合、既に公表された物性値のみを用いて計算できる。これにより、燃料電池スタック１０の寿命評価の効率が向上する。

ステップＳ１３では、上記した締付時の応力（σ_１、σ_２）と熱膨張による応力（σ_１ｔ、σ_２ｔ）とを用いて、締付部２１および被締付部２３について、運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）を求める。締付部２１およびシール部１３の運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）は、以下のようにして求められる。

締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は、式（３）の締付部２１の締付時の応力（σ_１）と、式（１１）の締付部２１の熱膨張による応力（σ_１ｔ）とから式（１３）により表すことができる。

σ_１Ｈ：締付部の運転開始時の応力［ＭＰａ］

被締付部２３の運転開始時の応力（σ_２Ｈ）は、式（４）の締付時の被締付部２３の応力（σ_２）と、式（１２）の被締付部２３の熱膨張による応力（σ_２ｔ）とから式（１４）により表すことができる。

σ_２Ｈ：被締付部の運転開始時の応力［ＭＰａ］

ここで、被締付部２３の線膨張係数（α_２）は、下記式（１５）に示される等価膨張係数を用いることが好ましい。

α_２：被締付部の線膨張係数（等価線膨張係数）［℃^−１］
α_２１〜α_２ｎ：各部の線膨張係数［℃^−１］
Ｌ_２１〜Ｌ_２ｎ：各部の厚さ［ｍｍ］

なお、式（１５）の等価膨張係数の計算においては、寿命評価に影響するもののみを考慮できる。寿命評価に影響するものとして、例えば、剛性の高いものが挙げられる。剛性の高いものとして、例えば、第１のセパレータ１１１、第２のセパレータ１４、金属板１２、保持部１６、ワッシャ１８が挙げられる。また、剛性の低いものとして、シール部１３、絶縁シート１５、燃料電池セル１１２、集電体１１３が挙げられる。剛性の高いものは、等価膨張係数の計算において考慮することが好ましい。一方、剛性の低いものは、等価膨張係数の計算において考慮してもよいし、考慮しなくてもよい。

また、被締付部２３のヤング率（Ｅ_２）としては、一部の部材のヤング率を各部の部材のヤング率を代表するものとして用いてもよい。例えば、被締付部２３のヤング率として、保持部１６のヤング率を用いてもよい。

ステップＳ１４では、上記した運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）を用いて、締付部２１および被締付部２３について、運転中の応力（σ_１Ｈｔ、σ_２Ｈｔ）を求める。締付部２１および被締付部２３の運転中の応力（σ_１Ｈｔ、σ_２Ｈｔ）は、以下のようにして求められる。

締付部２１の運転中の応力（σ_１Ｈｔ）は、下記式（１６）により表すことができる。ここで、下記式（１６）は、運転時間ｔ時間後の応力を求めるものであり、特に時間硬化則を利用して運転時間ｔ時間後の応力を推定するものである。なお、定数Ａ、ｎ、ｍは、締付部２１について試験を行うことにより求めることができる。具体的には、定数Ａ、ｎ、ｍは、実験で得たクリープ曲線もしくはクリープリラクセーション曲線に、時間硬化則を用いて計算した近似曲線を合わせこむ（上記曲線に合うようＡ、ｎ、ｍを変動させる）ことにより求めることができる。

σ_１Ｈｔ：締付部の運転中の応力［ＭＰａ］
ｔ：運転時間［ｈ］
Ａ、ｎ、ｍ：定数

ここで、クリープリラクセーションはひずみ一定の状態であり、荷重一定のクリープと密接な関係がある。クリープリラクセーションは、ひずみ一定下での応力変化を求めればよく、一般に以下の式で表すことができる。
ｄσ／ｄｔ＝Ｅ・ｄε／ｄｔ （ａ）
ｄσ／ｄｔ：応力変化
Ｅ：ヤング率（ＭＰａ）
ｄε／ｄｔ：クリープ速度（％／ｈ）
また、時間硬化則の構成式は以下のとおりであり、クリープ曲線からクリープリラクセーションを推定できる。
ｄεｃ／ｄｔ＝Ａ・σ＾ｎ・ｔ＾ｍ （ｂ）
σ：応力（ＭＰａ）
ｔ：時間（ｈ）
応力が一定の場合、クリープひずみは上記式を基に以下のように表すことができる。
εｃ＝Ａσ＾ｎ・［（ｔ＾（ｍ＋１））／（ｍ＋１）］ （ｃ）
εｃ：クリープひずみ（％）
（ａ）式に（ｃ）を代入すると、（１６）式が得られる。

被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）は、式（１６）の締付部２１の運転中の応力（σ_１Ｈｔ）に、式（１３）の締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）と、式（１４）の被締付部２３の運転開始時の応力（σ_２Ｈ）との比（σ_２Ｈ／σ_１Ｈ）を乗じた下記式（１７）により表すことができる。

σ_２Ｈｔ：被締付部の運転中の応力［ＭＰａ］

実施形態の寿命評価方法については、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）を基準にして寿命を評価できる。すなわち、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）は、シール部１３の運転中の面圧に等しい。通常、シール部１３の面圧が２０ＭＰａ未満になると、隣り合う単位燃料電池１１の間の気密性が十分でなくなる。従って、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が２０ＭＰａ未満になるときの時間を燃料電池スタック１０の寿命と判断することができる。燃料電池スタック１０の寿命は、運転温度８００℃の場合、１０００時間以上が好ましい。

また、運転中においては、締付部２１の寿命が燃料電池スタック１０の寿命と同程度である必要がある。ここで、締付部２１の寿命は、例えば、縦軸に締付部２１の運転中の応力（σ_１Ｈｔ）をとり、横軸に時間（対数目盛）をとった片対数グラフを描いたときに、グラフの傾斜が大きくなった後、再びグラフの傾斜が緩くなるときの時間である。締付部２１の寿命は、運転温度８００℃の場合、１０００時間以上が好ましい。

次に、燃料電池スタック１０の製造方法の実施形態について説明する。
図４は、燃料電池スタック１０の製造方法の製造工程を示すフロー図である。実施形態の製造方法は、以下の工程により製造を行う。

燃料電池スタックの寿命評価方法により、複数の製造条件について、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）を求める（ステップＳ２１）。

上記した複数の製造条件のうち、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が所望の応力を有する製造条件により燃料電池スタック１０を製造する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２１では、製造条件を変更して、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）を求める。製造条件としては、例えば、締付部２１の本数、締付トルク（Ｔ）、呼び径（ｄ）、単位燃料電池１１の積層数、シール部１３の面積、ならびに保持部１６の厚さの中から選ばれる少なくとも一種を変更することが好ましい。すなわち、これらから選ばれる少なくとも一種を変数として、寿命評価のための計算を行うことが好ましい。

なお、製造条件としては、例えば、ヤング率（Ｅ_１、Ｅ_２）、線膨張係数（α_１、α_２）などを変更してもよい。製造条件は、１種を変更してもよいし、２種以上を同時に変更してもよい。ステップＳ２１では、製造条件の変更に合わせて、繰り返して計算が行われる。

ステップＳ２２では、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が所望の応力を有する製造条件を選択する。所望の応力は、例えば、運転温度８００℃、運転時間１０００時間の運転条件において、２０ＭＰａ以上である。被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が２０ＭＰａ以上となる場合、燃料電池スタック１０の気密性が良好になる。

上記条件を有する製造条件が複数存在する場合、任意の製造条件を選択することができる。なお、製造条件の選択においては、燃料電池スタック１０の仕様を制約条件として用いてもよい。例えば、シール部１３の面積の上限に制約がある場合、シール部１３の面積を制約条件として用いてもよい。また、製造条件の選択においては、所望の応力を有する製造条件について諸条件の関係を直交表にしておき、実験計画法により構築した重回帰式を用いて選択を行ってもよい。ここで、実験計画法とは、効率の良い実験（解析）方法を計画し、結果を分析する統計的手法である。また、重回帰式とは、要因（変数）が複数ある場合に対して、計算しやすく誤差の小さい予測式である。

製造条件の選択後、選択された製造条件を採用して、燃料電池スタック１０を製造する。これにより、気密性に優れた燃料電池スタック１０が得られる。

製造条件としては、締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）と、被締付部２３におけるシール部１３の面積（Ａ_２）との比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３以上となるものを選択することが好ましい。比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３以上となる場合、さらに燃料電池スタック１０の気密性が良好となる。比（Ａ_１／Ａ_２）は、０．３５以上がより好ましく、０．３６以上がさらに好ましい。比（Ａ_１／Ａ_２）は、通常、２以下が好ましく、１．５以下がより好ましい。

また、製造条件としては、締付部２１について計算により求められる運転開始時の応力（σ_１Ｈ）が７０ＭＰａ以下となるものが好ましい。これにより、さらに燃料電池スタック１０の気密性が良好となる。締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は、６７ＭＰａ以下がより好ましく、６６ＭＰａ以下がさらに好ましい。締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は、通常、１０ＭＰａ以上が好ましく、１５ＭＰａ以上がより好ましい。

実施形態の燃料電池スタック１０は、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）を計算により求め、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が所望の応力を有するときの計算に係る製造条件を採用している。所望の応力は、例えば、運転温度８００℃、運転時間１０００時間の運転条件において、２０ＭＰａ以上である。被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）が２０ＭＰａ以上となる場合、燃料電池スタック１０の気密性が良好になる。

被締付部の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）は、式（１７）に示されるように、締付部の運転中の応力（σ_１Ｈｔ）に、式（１３）の締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）と、式（１４）の被締付部２３の運転開始時の応力（σ_２Ｈ）との比（σ_２Ｈ／σ_１Ｈ）を乗じて求められる。

運転中の応力（σ_１Ｈ）は、式（１６）により求められる。締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は、式（１３）に示されるように、合計締付力（Ｐ）、面積（Ａ_１、Ａ_２）、ヤング率（Ｅ_１、Ｅ_２）、線膨張係数（α_１、α_２）を用いて求めることができる。同様に、被締付部２３の運転開始時の応力（σ_２Ｈ）は、式（１４）に示されるように、合計締付力（Ｐ）、面積（Ａ_１、Ａ_２）、ヤング率（Ｅ_１、Ｅ_２）、線膨張係数（α_１、α_２）を用いて求めることができる。

製造条件としては、例えば、締付部２１の本数、締付トルク（Ｔ）、呼び径（ｄ）、単位燃料電池１１の積層数、シール部１３の面積、ならびに保持部１６の厚さの中から選ばれる少なくとも一種が挙げられる。実施形態の燃料電池スタックは、既に説明した製造方法により製造することができる。

次に、寿命評価方法の具体例について説明する。
寿命評価の対象となる燃料電池スタック１０は、図１に示される５層の単位燃料電池１１を有するものである。寿命評価においては、第１のセパレータ１１１、第２のセパレータ１４、金属板１２、シール部１３、保持部１６、ワッシャ１８、および締付部２１を実質的に考量した。各部材の構成は、以下の通りである。

第１のセパレータ１１１、第２のセパレータ１４は、鉄鋼材料からなり、線膨張係数１．１９×１０^−５［／℃］、厚さ３ｍｍである。金属板１２は、鉄鋼材料からなり、線膨張係数１．４６×１０^−５［／℃］、厚さ０．１ｍｍである。保持部１６は、ＳＵＳ３１０からなり、線膨張係数２．０６×１０^−５［／℃］、ヤング率１．３８×１０^５［ＭＰａ］、厚さを５〜２０ｍｍの範囲で変更した。ワッシャ１８は、鉄鋼材料からなり、線膨張係数１．８０×１０^−５［／℃］、厚さ３ｍｍである。なお、シール部１３は、無機材料からなり、締付前の厚さが０．５５ｍｍ、締付前の面積（Ａ_２）を２０００〜１１０００ｍｍ^２の範囲で変更した。

締付部２１は、インコネル７１８（大同スペシャルメタル社製）からなるボルトであり、線膨張係数１．６０×１０^−５［／℃］、ヤング率１．４７×１０^５［ＭＰａ］、ねじの呼びＭ２０、本数１２本、締付トルク（Ｔ）１〜２０４［Ｎｍ］の範囲で変更した。孔部１７は、直径２１ｍｍのものを締付部２１と同数設けた。

締付時の温度（ｔ_０）は、室温（２５℃）とした。運転時の温度（ｔ_１）は、８００℃とした。運転時間（ｔ）は、１０００時間とした。また、式（１６）の定数Ａ、ｎ、ｍは、Ａ＝８．８×１０^−２５、ｎ＝１０．１５、ｍ＝０．３５とした。

上記製造条件において、上記寿命評価方法を適用した。まず、締付部２１および被締付部２３について、式（１）〜式（４）から、締付時の応力（σ_１、σ_２）を求めた。さらに、締付部２１および被締付部２３について、式（１３）、式（１４）から、運転開始時の応力（σ_１Ｈ、σ_２Ｈ）を求めた。

さらに、被締付部２３について、運転時間１０００時間での運転中の応力（σ_１Ｈｔ、σ_２Ｈｔ）を求めた。ここで、被締付部２３の応力（σ_２Ｈｔ）は、シール部１３の面圧に等しい。また、締付部２１について寿命を求めた。ここで、締付部２１の寿命は、縦軸に締付部２１の運転中の応力（σ_１Ｈｔ）をとり、横軸に時間（対数目盛）をとった片対数グラフを描いたときに、グラフの傾斜が大きくなった後、再びグラフの傾斜が緩くなるときの時間とした。

上記結果を表１に示す。なお、表１には、締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）と、被締付部２３におけるシール部１３の面積（Ａ_２）との比（Ａ_１／Ａ_２）を合わせて示した。

なお、一例として、Ｎｏ．１の計算結果を示す。
式（１）から、締付部２１の１本当たりの締付力（ｐ）は２５０［Ｎ］となる。なお、式（１）中、締付トルク（Ｔ）は１［Ｎ・ｍ］、トルク係数（Ｋ）は０．２、呼び径（ｄ）は０．０２［ｍ］とした。式（１ａ）から、締付部２１の全体（１２本分）の合計締付力（Ｐ）は３０００［Ｎ］となる。式（３）から、締付部２１の締付時の応力（σ_１）は１．０［ＭＰａ］となる。式（３）中、締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）は２９４０［ｍｍ^２］とした。式（４）から、被締付部２３の締付時の応力（σ_２）は１．５［ＭＰａ］となる。

式（１３）から、締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は９７．２［ＭＰａ］となる。また、式（１４）から、被締付部２３の運転開始時の応力（σ_２Ｈ）は１４２．８［ＭＰａ］となる。式（１３）、式（１４）の条件については、以下の通りとした。締付部２１のヤング率（Ｅ_１）は、１．４７×１０^５［ＭＰａ］とした。被締付部２３のヤング率（Ｅ_２）は、保持部１６のヤング率１．３８×１０^５［ＭＰａ］とした。締付部２１の線膨張係数は、１．６０×１０^−５［／℃］とした。被締付部２３の線膨張係数（等価膨張係数）は、１．８２×１０^−５［／℃］とした。運転開始時の温度（ｔ_１）は、８００℃とした。締付時の温度（ｔ_０）は、２５℃とした。

式（１７）から、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）は、８２．４［ＭＰａ］となる。式（１７）中、定数Ａ、ｎ、ｍは、Ａ＝８．８×１０^−２５、ｎ＝１０．１５、ｍ＝０．３５とした。また、式（１６）のグラフから、締付部２１の寿命は、１２８時間となる。

表１から明らかなように、実施形態の寿命評価方法によれば、燃料電池スタック１０の寿命を評価できる。これにより、好適な製造条件を決定できる。好適な製造条件としては、例えば、Ｎｏ．３〜６、１１〜１２、１７〜１８、２３などが挙げられる。

また、表１から明らかなように、締付部２１の合計有効断面積（Ａ_１）と、被締付部２３におけるシール部１３の面積（Ａ_２）との比（Ａ_１／Ａ_２）は、０．３０以上が好ましい。比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３０以上である場合、燃料電池スタック１０の気密性が良好になる。

具体的には、比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３０以上である場合、８００℃、１０００時間の運転条件において、被締付部２３の運転中の応力（σ_２Ｈｔ）、すなわちシール部１３の運転中の面圧が２０ＭＰａ以上となる。また、比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３０以上である場合、締付部２１の寿命が８００℃のときに１０００時間以上となる。

また、表１から明らかなように、締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）は、７０ＭＰａ以下が好ましい。締付部２１の運転開始時の応力（σ_１Ｈ）が７０ＭＰａ以下である場合、燃料電池スタック１０の気密性が良好になる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、燃料電池スタックの寿命を予測することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…燃料電池スタック、１１…単位燃料電池、１２…金属板、１３…シール部、１４…第２のセパレータ、１５…絶縁シート、１６…保持部、１７…孔部、１８…ワッシャ、２１…締付部、２２…固定部、２３…被締付部、１１１…第１のセパレータ、１１２…燃料電池セル、１１３…集電体。

Claims (17)

1. シール部を介して積層された複数の単位燃料電池、および前記複数の単位燃料電池を積層方向に挟持する一対の保持部を有する被締付部と、前記被締付部の締付に用いられる締付部とを有する燃料電池スタックの寿命評価方法であって、
   前記締付部および前記被締付部について、締付時の応力を求めるステップと、
   前記締付部および前記被締付部について、締付時の温度と運転時の温度との温度差での熱膨張による応力を求めるステップと、
   前記締付時の応力と前記熱膨張による応力とを用いて、前記締付部および前記被締付部について、運転開始時の応力を求めるステップと、
   前記運転開始時の応力を用いて、前記締付部および前記被締付部について、運転中の応力を求めるステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの寿命評価方法。
2. 前記締付部の締付時の応力は、前記締付部の各締付力を合計した合計締付力を前記締付部の各有効断面積を合計した合計有効断面積で除して求めることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
3. 前記被締付部の締付時の応力は、前記締付部の各締付力を合計した合計締付力を前記被締付部における前記シール部の面積で除して求めることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
4. 前記締付部の各締付力は、前記締付部の締付トルク、トルク係数、および呼び径を用いて求めることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
5. 前記締付部および前記被締付部の熱膨張による応力は、締付時の温度と運転時の温度との温度差、前記締付部のヤング率、線膨張係数、および各有効断面積を合計した合計有効断面積、ならびに前記被締付部のヤング率、線膨張係数、および前記シール部の面積を用いて求めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
6. 前記被締付部のヤング率として、前記保持部のヤング率を用いることを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
7. 前記被締付部の線膨張係数として、前記被締付部を構成する部材の線膨張係数および厚さから求められる等価線膨張係数を用いることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
8. 前記締付部の運転開始時の応力は、前記締付部の締付時の応力と前記締付部の熱膨張による応力との差とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
9. 前記被締付部の運転開始時の応力は、前記被締付部の締付時の応力と前記被締付部の熱膨張による応力との差とすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
10. 前記締付部の運転中の応力は、前記締付部の運転開始時の応力を初期値として求めることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
11. 前記被締付部の運転中の応力は、前記締付部の運転中の応力に、前記締付部と前記被締付部との運転開始時の応力の比を乗じて求めることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載の燃料電池スタックの寿命評価方法により、複数の製造条件について前記被締付部の運転中の応力を求めるステップと、
    前記複数の製造条件のうち、前記被締付部の運転中の応力が所望の応力を有する製造条件を採用して燃料電池スタックを製造するステップと、
    を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
13. 前記複数の製造条件は、前記締付部の本数、締付トルク、および呼び径、前記単位燃料電池の積層数、前記シール部の面積、ならびに前記保持部の厚さの中から選ばれる少なくとも一種が異なることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池スタックの製造方法。
14. 前記所望の応力は、運転温度８００℃かつ運転時間１０００時間の運転条件において、２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池スタックの製造方法。
15. 前記製造条件として、前記締付部について求められる運転開始時の応力が７０ＭＰａ以下であるものを採用することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の燃料電池スタックの製造方法。
16. 前記製造条件として、前記締付部の各有効断面積を合計した合計有効断面積（Ａ_１）と、前記締付部における前記シール部の面積（Ａ_２）との比（Ａ_１／Ａ_２）が０．３以上となるものを採用することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の燃料電池スタックの製造方法。
17. シール部を介して積層された複数の単位燃料電池、および前記複数の単位燃料電池を積層方向に挟持する一対の保持部を有する被締付部と、前記被締付部の締付に用いられる締付部とを有する燃料電池スタックであって、
    前記被締付部の運転中の応力を計算により求め、前記被締付部の運転中の応力が所望の応力を満足するときの前記計算に係る製造条件を採用したことを特徴とする燃料電池スタック。

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