JP2017216100A - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
セル積層体は、複数の単位セルが積層されて構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで構成された膜電極構造体(MEA)と、膜電極構造体を挟持するセパレータと、を備えている。
エンドプレート及び連結バーは、セル積層体の積層方向に互いに突き合わされた状態で、エンドプレート取付孔及び連結バー取付孔内に挿通された締結部材によって締結されている。例えば下記特許文献2には、エンドプレート取付孔及び連結バー取付孔内に、筒状ノックが配設された構成が開示されている。筒状ノックは、エンドプレート取付孔及び連結バー取付孔間を跨って配設されるとともに、締結部材に外挿されている。
しかしながら、シール部材は、取付孔に装着される前の状態において、各取付孔との締め代部分が筒状ノックの外周面からはみ出している。そのため、積層機を用いて燃料電池スタックを組み付ける際に、例えばエンドプレート取付孔の開口縁シール部材の締め代部分に接触してシール部材が損傷するおそれがある。
一方で、各シール部材間の第1方向での離間距離を縮小しても、シール部材を対応する取付孔内に配置できるので、筒状ノックにおける第1方向の長さを縮小できる。そのため、筒状ノックの材料コストや、取付孔の加工コスト等の削減を図ることができる。
[燃料電池スタック]
図1は本実施形態の燃料電池スタック1を第1エンドプレート81側から見た分解斜視図である。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1は、図示しない車両の前部に画成されたモータルームやフロア下に搭載されている。燃料電池スタック1は、例えば駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池スタック1は、例えば図中のA方向(第1方向)が車両の幅方向、B方向が車両の前後方向、C方向が車両の上下方向となるようにして車両に搭載される。
セル積層体3は、複数の単位セル(燃料電池セル)2がA方向に積層されて構成されている。なお、以下の説明では、上述したA方向、B方向及びC方向において、セル積層体3の中央部に近づく向きを内側といい、セル積層体3の中央部から離間する向きを外側という場合がある。
図2は単位セル2の分解斜視図である。
図2に示すように、単位セル2は、例えば一対のセパレータ21,22と、各セパレータ21,22間に挟持された膜電極構造体23(以下、単にMEA23という。)と、を備えている。MEA23は、固体高分子電解質膜31と、固体高分子電解質膜31をA方向の両側から挟持するアノード電極32及びカソード電極33と、を備えている。
アノード電極32及びカソード電極33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ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層と、を有している。
固体高分子電解質膜31は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。固体高分子電解質膜31は、A方向から見た正面視外形がアノード電極32及びカソード電極33よりも大きくなっている。図2の例において、固体高分子電解質膜31の中央部には、アノード電極32及びカソード電極33が重ね合わされている。固体高分子電解質膜31の外周部は、アノード電極32及びカソード電極33に対して額縁状にはみ出している。
セパレータプレート35は、B方向を長手方向とする長方形状の金属板、又はカーボン板により構成されている。なお、図2の例において、セパレータプレート35は、正面視外形が固体高分子電解質膜31と同等に形成されている。セパレータプレート35は、A方向から見てMEA23に重なり合っている。
図3に示すように、被覆部材36は、ゴム等の弾性変形可能な材料により形成されている。被覆部材36は、固体高分子電解質膜31の外周部にA方向で密接している。
単位セル2において、各出口連通孔41o,42oに対してB方向の内側に位置する部分には、冷媒出口連通孔43oがそれぞれ形成されている。なお、一対の冷媒入口連通孔43i同士及び一対の冷媒出口連通孔43o同士は、アノード電極32及びカソード電極33を間に挟んでそれぞれC方向で対向する位置に配置されている。
具体的に、第1セパレータ21のアノード電極32を向く面と、MEA23のアノード電極32と、の間には、燃料ガス流路45が形成されている。燃料ガス流路45は、燃料ガス入口連通孔42i及び燃料ガス出口連通孔42oにそれぞれ連通している。
第1インシュレータ66の外周部(収容部71の外側に位置する部分)は、第1端部セル2aにおける第1セパレータ21(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス入口連通孔41i,42iに各別に連通する酸化剤ガス入口接続孔72及び燃料ガス入口接続孔(不図示)が形成されている。また、第1インシュレータ66の外周部には、上述した各ガス出口連通孔41o,42oに各別に連通する図示しない酸化剤ガス出口接続孔及び燃料ガス出口接続孔が形成されている。
図4に示すように、セル積層体3に対してA方向の他方には、第2ターミナルプレート62が配置されている。第2ターミナルプレート62は、各単位セル2のうち、A方向の他方に位置する単位セル(以下、第2端部セル2bという。)のカソード電極33に第2セパレータ22を介して導通している。第2ターミナルプレート62には、A方向の外側に向けて突出する出力端子64(図5参照)が形成されている。
第2インシュレータ67の外周部(収容部73の外側に位置する部分)は、第2端部セル2bにおける第2セパレータ22(被覆部材36)にA方向の外側から密接している。また、第2インシュレータ67の外周部には、上述した各冷媒連通孔43i,43oに各別に連通する冷媒入口接続孔74及び冷媒出口接続孔(不図示)が形成されている。
図1に示すように、ケーシング4は、セル積層体3よりも一回り大きい箱型に形成されている。ケーシング4は、その内部にセル積層体3を収納している。具体的に、ケーシング4は、セル積層体3をA方向の両側から挟持する第1エンドプレート81及び第2エンドプレート82と、エンドプレート81,82のA方向で対向する辺同士を各別に連結する第1連結バー83及び第2連結バー84と、セル積層体3の周囲を取り囲む4枚のサイドパネル80と、を備えている。
図5に示すように、第2エンドプレート82には、一対の冷媒入口孔95i及び一対の冷媒出口孔95oが形成されている。冷媒入口孔95iは、第2インシュレータ67の対応する冷媒入口接続孔74(図4参照)を通して冷媒入口連通孔43iに連通している。冷媒出口孔95oは、第2インシュレータ67の対応する冷媒出口接続孔を通して冷媒出口連通孔43oに連通している。
各連結バー83,84は、A方向の両端面が各エンドプレート81,82におけるA方向の内側端面に突き合わされた状態で、一対の締結部材100によってエンドプレート81,82にそれぞれ締結されている。具体的に、第1連結バー83は、セル積層体3に対してC方向の両側において各エンドプレート81,82の長辺部分同士を連結している。第2連結バー84は、セル積層体3に対してB方向の両側において、各エンドプレート81,82の短辺部分同士を連結している。なお、締結部材100は、各連結バー83,84ごとに3本以上設けられていても構わない。
図6に示すように、第1エンドプレート81のうち、A方向から見て第1連結バー83と重なる部分には、エンドプレート取付孔101が形成されている。エンドプレート取付孔101は、第1エンドプレート81をA方向に貫通する円形の貫通孔である。エンドプレート取付孔101は、A方向の内側に位置するものほど内径が小さい多段形状になっている。具体的に、エンドプレート取付孔101は、A方向の外側に位置するエンドプレート大径部101aと、エンドプレート大径部101aに対してA方向の内側に連なるエンドプレート小径部101bと、を有している。なお、本実施形態において、エンドプレート取付孔101は、B方向に間隔をあけて2つ形成されている。
連結バー大径部102aの内径は、エンドプレート小径部101bの内径と同等になっている。
連結バー取付孔102のうち、少なくとも連結バー小径部102bは、雌ねじ孔になっている。なお、連結バー取付孔102のうち、少なくとも連結バー大径部102aにおけるA方向の外側開口縁には、面取り部が形成されている。面取りは、丸面取りであっても、平面取りであっても構わない。
また、筒状ノック110の外径は、エンドプレート小径部101b及び連結バー大径部102aの内径よりも小さくなっている。また、筒状ノック110の内径は、連結バー小径部102bの内径以上になっている。
また、本実施形態では、内側収容溝121の内面及び連結バー大径部102aの内周面に弾性変形した状態で密接する内側シール部材123を有する構成とした。そのため、取付孔101,102内に進入した反応ガスが、筒状ノック110におけるA方向の内側を回り込んで筒状ノック110の内周側に進入するのを内側シール部材123によって抑制できる。
これにより、取付孔101,102と締結部材100との間のシール性を確保し、反応ガスが取付孔101,102からケーシング4の外部に放出されるのをシール部材122,123によって抑制できる。
次に、上述した燃料電池スタック1の製造方法について説明する。図7は、燃料電池スタック1の製造方法(積層工程S1)を説明するための工程図である。
まず、燃料電池スタック1の製造に用いる積層機150について説明する。なお、以下の説明では、上述したA方向を上下方向として説明する。
図7に示すように、積層機150は、ベース部材151と、ベース部材151の上方にベース部材151に対してA方向で対向配置された押圧部材152と、を有している。押圧部材152は、図示しない駆動機構によってベース部材151に対してA方向に移動可能とされている。
図8に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1の製造方法は、積層工程S1と、圧縮工程S2と、圧縮解除工程S3と、連結バー配置工程S4と、ノック挿入工程S5と、着座工程S6と、押し込み工程S7と、と、を主に備えている。
図9に示す圧縮工程S2では、押圧部材152を下降させ、ベース部材151と押圧部材152との間で積層体160をA方向に圧縮する。この際、セル積層体3のA方向の長さが規定積層長(例えば上述した燃料電池スタック1のセル積層体3と同等の長さ)になるまで、押圧部材152を下降させる。
図10に示す連結バー配置工程S4では、第1エンドプレート81と第2エンドプレート82との間に連結バー83,84を配置する。具体的に、対応するエンドプレート取付孔101及び連結バー取付孔102同士を位置合わせした状態で、各連結バー83,84を第1エンドプレート81上に配置する。この際、第2エンドプレート82と第1連結バー83との間、及び第2エンドプレート82と第2連結バー84との間には、A方向に隙間S1が形成されている。
図11に示すノック挿入工程S5では、エンドプレート取付孔101内及び連結バー取付孔102内に、押し込み治具170(図12参照)を用いて筒状ノック110を挿入する。
図12に示すように、押し込み治具170は、先端部に位置するものほど外径が小さい多段円柱状に形成されている。具体的に、押し込み治具170は、プレート当接部171、ノック押し込み部172及びノック挿入部173が基端部から先端部にかけて連設されて構成されている。
ノック押し込み部172は、外径がエンドプレート小径部101bの内径よりも小さく、筒状ノック110の内径よりも大きく形成されている。すなわち、ノック押し込み部172は、エンドプレート小径部101b内に進入可能とされるとともに、筒状ノック110にA方向で当接可能とされている。
第1ノック挿入工程では、第1エンドプレート81のエンドプレート取付孔101及び連結バー取付孔102内に、シール部材122,123が装着された筒状ノック110を挿入する。具体的には、まず押し込み治具170のノック挿入部173を筒状ノック110内に挿入する。次いで、第1エンドプレート81のエンドプレート取付孔101を通してエンドプレート取付孔101内及び連結バー取付孔102内に、筒状ノック110を押し込み治具170(ノック挿入部173)とともに挿入する。このとき、筒状ノック110は、ノック押し込み部172によって押し込まれることで、シール部材122,123がエンドプレート取付孔101及び連結バー取付孔102の内周面上を摺接しながら、エンドプレート取付孔101内及び連結バー取付孔102内に進入する。その後、筒状ノック110におけるA方向の内側端面が、連結バー接続面102cにA方向で突き当たることで、第1ノック挿入工程が終了する。第1ノック挿入工程後は、押し込み治具170を取り出す。なお、図11に示すように、第1ノック挿入工程の終了後、筒状ノック110内に締結部材100を挿入し、第1エンドプレート81と第1連結バー83、及び第1エンドプレート81と第2連結バー84をそれぞれ締結部材100で締結する。
図13に示すように、第2ノック挿入工程では、第1ノック挿入工程と同様に、まず押し込み治具170のノック挿入部173を筒状ノック110内に挿入する。その後、第2エンドプレート82のエンドプレート取付孔101を通してエンドプレート取付孔101内及び連結バー取付孔102内に、筒状ノック110を押し込み治具170(ノック挿入部173)とともに挿入する。このとき、押し込み治具170のプレート当接部171がエンドプレート接続面101cにA方向で当接する位置まで、ノック押し込み部172によって筒状ノック110を押し込む。すると、筒状ノック110に装着されたシール部材122,123のうち、内側シール部材123が連結バー大径部102a内に位置し、外側シール部材122がエンドプレート小径部101b内に位置するように筒状ノック110が配置される。また、筒状ノック110は、筒状ノック110におけるA方向の内側端面と、連結バー接続面102cと、の間にA方向の隙間S2をあけた状態で、エンドプレート取付孔101内及び連結バー取付孔102内に配置される。但し、筒状ノック110におけるA方向の内側端面と、連結バー接続面102cと、がA方向で突き当たっていても(隙間S2がなくても)構わない。
図14に示す着座工程S6では、上述した圧縮工程S2と同様に、押圧部材152(図9参照)を下降させることで、第2エンドプレート82と連結バー83,84とをA方向で接触させる。このとき、第2エンドプレート82は、エンドプレート小径部101bの内周面が外側シール部材122に摺接しながら、筒状ノック110に対して下降する。
図15に示す押し込み工程S7では、上述した押し込み治具170を用いて、第2ノック挿入工程で配置された筒状ノック110を、A方向の内側端面が連結バー接続面102cに突き当たる位置まで押し込む。
図16に示すように、押し込み工程S7の後、第2エンドプレート82及び連結バー83,84を締結する。具体的には、筒状ノック110内に締結部材100を挿入し、第2エンドプレート82と第1連結バー83、及び第2エンドプレート82と第2連結バー84をそれぞれ締結部材100で締結する。なお、上述した第1エンドプレート81と各連結バー83,84との締結も、押し込み工程S7の後に行っても構わない。
次に、積層機150から積層体160に付与されている圧縮荷重を解除する。その後、積層体160にサイドパネル80を組み付けることで、上述した燃料電池スタック1が完成する。
この構成によれば、ノック挿入工程S5において、外側シール部材122は圧縮変形された状態で予めエンドプレート取付孔101内に配置され、内側シール部材123は圧縮変形された状態で予め連結バー取付孔102内に配置される。これにより、着座工程S6において、積層機150を用いて第2エンドプレート82と連結バー83,84とをA方向で突き合わせる際、例えば図17に示すようにエンドプレート取付孔101の開口縁と、外側シール部材122と、が接触するのを抑制できる。そのため、外側シール部材122がエンドプレート取付孔101内に噛み込まれるのを抑制できる。その結果、シール部材122,123の損傷を抑制した上で、シール部材122,123を所望の位置に配置できる。これにより、上述したケーシング4の外部への反応ガスの漏れや、ケーシング4の外部からの水の進入を長期に亘って抑制できる。
この構成によれば、プレート当接部171からのノック押し込み部172の突出量に応じて、ノック挿入工程S5での取付孔101,102に対する筒状ノック110のA方向の位置が決定される。これにより、ノック挿入工程S5において、プレート当接部171がエンドプレート接続面101cに当接する位置まで押し込み治具170を押し込むだけで、筒状ノック110及び各シール部材122,123を簡単に所望の位置に配置することができる。
この構成によれば、各シール部材122,123間のA方向での離間距離が、連結バー接続面102cと第2エンドプレート82におけるA方向の内側端面とのA方向での離間距離よりも短い場合であっても、ノック挿入工程S5において、外側シール部材122をエンドプレート取付孔101内に配置し、内側シール部材123を連結バー取付孔102内に配置することができる。これにより、ノック挿入工程S5から着座工程S6に至る間で、各取付孔101,102からシール部材122,123が脱落するのを抑制できる。
一方で、各シール部材122,123間のA方向での離間距離を縮小しても、シール部材122,123を対応する取付孔101,102内に配置できるので、筒状ノック110におけるA方向の長さを縮小できる。そのため、筒状ノック110の材料コストや、取付孔101,102の加工コスト等の削減を図ることができる。
例えば、上述した実施形態では、上述した実施形態では、シール部材を2つ用いた場合について説明したが、3つ以上の複数用いても構わない。この場合においても、ノック挿入工程において、各シール部材が取付孔101,102内に配置されていることが好ましい。
上述した実施形態では、締結部材100の頭部100aがエンドプレート大径部101a内に収容された構成について説明したが、この構成に限られない。すなわち、頭部100aがエンドプレート81,82におけるA方向の外側端面に当接する構成であっても構わない。
上述した実施形態では、押し込み治具170のプレート当接部171がエンドプレート接続面101c内に当接する構成について説明したが、この構成に限られない。すなわち、プレート当接部171がエンドプレート81,82におけるA方向の外側端面に当接する構成であっても構わない。
上述した実施形態では、連結バー配置工程S4に先だって圧縮工程S2及び圧縮解除工程S3を行う構成について説明したが、この方法に限られない。すなわち、積層工程S1の後、連結バー配置工程S4に移行しても構わない。
上述した実施形態では、第2ノック挿入工程において本発明の燃料電池スタック1の製造方法を適用した場合について説明したが、少なくとも一方のノック挿入工程に本発明の燃料電池スタック1の製造方法を適用すれば構わない。
2…単位セル(燃料電池セル)
3…セル積層体
81…第1エンドプレート
82…第2エンドプレート
83…第1連結バー(連結部材)
84…第2連結バー(連結部材)
100…締結部材
101…エンドプレート取付孔
101b…エンドプレート小径部(エンドプレート取付孔)
101c…エンドプレート接続面(エンドプレート)
102…連結バー取付孔
102a…連結バー大径部(大径部)
102b…連結バー小径部(小径部)
102c…連結バー接続面(接続面)
110…筒状ノック
122…外側シール部材(第1シール部材)
123…内側シール部材(第2シール部材)
170…押し込み治具
171…プレート当接部
172…ノック押し込み部
S2…隙間
Claims (3)
- 複数の燃料電池セルが第1方向に積層されたセル積層体、及び前記セル積層体における前記第1方向の両側に第1エンドプレート及び第2エンドプレートをそれぞれ配置する積層工程と、
前記第1エンドプレートと前記第2エンドプレートとの間に連結部材を配置する連結部材配置工程と、
前記第1エンドプレート及び前記第2エンドプレートのうち、少なくとも一方のエンドプレートのエンドプレート取付孔内、及び前記連結部材の連結部材取付孔内に跨って筒状ノックを挿入するノック挿入工程と、
前記第1エンドプレート及び前記第2エンドプレートを前記第1方向で接近移動させ、前記一方のエンドプレートと前記連結部材とを前記第1方向で突き合わせる着座工程と、
前記筒状ノック内に締結部材を挿入して、前記一方のエンドプレートと前記連結部材とを前記第1方向で締結する締結工程と、を有し、
前記ノック挿入工程では、前記筒状ノックにおける軸方向の一端部に外挿された第1シール部材及び前記筒状ノックにおける軸方向の他端部に外挿された第2シール部材のうち、前記第1シール部材が前記エンドプレート取付孔内に位置し、前記第2シール部材が前記連結部材取付孔内に位置するように前記筒状ノックを配置することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 前記ノック挿入工程は、前記一方のエンドプレートに前記第1方向の外側から当接可能なプレート当接部、及び前記プレート当接部から前記第1方向に突出するとともに、前記エンドプレート取付孔内に進入可能なノック押し込み部を有する押し込み治具を用い、前記プレート当接部が前記一方のエンドプレートに当接する位置まで前記ノック押し込み部により前記筒状ノックを前記エンドプレート取付孔内、及び前記連結部材取付孔内に押し込むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 前記連結部材取付孔は、
前記連結部材における前記第1方向の外側端面で開口し、前記筒状ノックが挿入される大径部と、
前記大径部に対して前記第1方向の内側に位置し、前記締結部材が螺着される小径部と、
前記大径部と前記小径部とを接続するとともに、前記第1方向に交差する方向に延びる接続面と、を有し、
前記ノック挿入工程では、前記筒状ノックにおける前記第1方向の内側端面と、前記接続面と、の間に前記第1方向の隙間をあけた状態で前記筒状ノックを配置することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池スタックの製造方法。
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